Дэвид Гринфилд

ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ТЕОРИЯ СВЕТА И ПЕРЕДАЧИ СВЕТОВЫХ ВОЛН.
КОММУТАЦИЯ СВЕТОВЫХ ВОЛН. КОМПОНЕНТЫ ОПТИЧЕСКИХ
КАНАЛОВ И СЕТЕЙ. ПОСЛЕДНЯЯ МИЛЯ С ОПТОВОЛОКНОМ.

ВСЕ О НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ

- - нига-почтой е-магазин^
www.diasoft.kiev.ua

"ТЛИ издательство

Ж DiaSoft

РН
PTR

ISBN 5-93772-044-Х

9 785937 720443 >
С) р । 'кя 8

я

David Greenfield

PH
PTR

Prentice Hall PTR, Upper Saddle River, NJ 07458
www.phptr.com
Дэвид Гринфилд

Ш1 DiaSoft

Москва • Санкт-Петербург • Киев

2002
УДК 681.3. 06(075)

ББК 32.973.2

Г13

Гринфилд Девцд

Г13 ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ / Дэвид Гринфилд- К.: ООО «ТИД «ДС», 2002. - 256 с.

ISBN 5-93772-044-х

Настоящая книга — одна из первых книг, переведенных на русский язык, которая посвя-
щена принципам базовых средств и технологий современных и перспективных оптических
сетей передачи мультимедийной информации. Материал книги изложен в понятной широко-
му кругу читателей форме. Он охватывает как фундаментальные физические принципы, так и
современные достижения в области волоконно-оптической связи. Все базовые компоненты
оптических сетей, такие как лазеры, детекторы, фильтры, мультиплексоры,, коммутаторы и др.
описаны просто и доступно. Особое внимание в книге уделено ядру оптических сетей SONET
и ETHERNET (10 Gb/s), а также архитектуре и компонентам региональных сетей. Учитывая
актуальность проблемы приближения оптических сетей к каждому дому, здесь подробно
рассматриваются средства и технология для «последней (первой!) мили».

Книга рассчитана на массовую аудиторию, она предназначена для тех, кто хочет узнать
тайны современных и перспективных оптических сетей, которые в недалеком будущем
«войдут» в квартиру к каждому, кто этого пожелает.

ББК 32.973.2

Authorized translation from the English language edition, entitled ESSENTIAL GUIDE TO OPTICAL
NETWORKS, 1st Edition by GREENFIELD, DAVID, published by Pearson Education, Inc, publishing as Pren-
tice Hall PTR.

Copyright © 2002

All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means,
electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system,
without permission from the Publisher.

Russian language edition published by DiaSoft Ltd.

Copyright © 2002

Лицензия предоставлена издательством Prentice Hall PTR.

Все права зарезервированы, включая право на полное или частичное воспроизведение в какой бы то
ни было форме.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность технических
ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность
приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки,
связанные с использованием книги.

ISBN 5-93772-044-х (рус.)

ISBN 0-13-042956-2 (англ.)

© Перевод на русский язык. ООО «ДиаСофтЮП», 2002

© Prentice Hall PTR, 2000

© Оформление. ООО «ДиаСофтЮП», 2002

Гигиеническое заключение № 77.99.6.953.П.438.2.99 от 04.02.1999
Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА....................................8

ПРЕДИСЛОВИЕ......................................................10

БЛАГОДАРНОСТИ....................................................13

Часть 1...........................................................16

ГЛАВА 1. РАБОТА В СЕТИ СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА........................17

Коротко о сетях общего пользования...............................19

Трафик меняется..................................................22

Долой старое.....................................................23

Да здравствует новое.............................................24

Оптические компьютеры............................................26

Службы оптических сетей..........................................27

Резюме...........................................................29

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ СВЯЗИ............................................32

Пожалуйста, конверт..............................................  33

Детали архитектуры............................................34

Биты и байты..................................................38

Топологии сетей............................................... 42

Эй, почтальон!...................................................43

Ethernet......................................................45

Проблемы Ethernet.............................................46

ATM...........................................................48

Коммутаторы, маршрутизаторы и
все такое прочее...*..........................................49

QoS и VLAN.......................................................53

Резюме...........................................................55

Часть2...........................................................58

ГЛАВА 3. ОСНОВЫ ТЕОРИИ СВЕТА.....................................59

Атомы, электроны и тому подобное.................................59

Квантовая точка зрения........................................61

Свойства волн....................................................63

Электромагнитный спектр..........................................65

Поведение волн...................................................68

Нормальность? А кому она нужна?...............................68

Преломление......................................................69

Интерференция....................................................72

Дифракция и рассеяние............................................72

Резюме...........................................................74

ГЛАВА 4. ОПТОВОЛОКОННЫЕ КАБЕЛИ...................................75

Почему именно волоконная оптика?.................................75

Конструкция волоконно-оптического кабеля.........................78

Не любое стекло годится.......................................78

Типы волоконно-оптических кабелей................................80
Что скрывается за полосой пропускания...................................83

Проблемы передачи сигналов..............................................84

Линейные эффекты.....................................................84

Децибелы — что это такое?...............................................85

Дисперсия...............................................................86

Модальная дисперсия..................................................86

Хроматическая дисперсия..............................................88

Поляризационная-модовая дисперсия....................................89

Нелинейные эффекты...................................................90

Бриллюэновское и рамановское рассеяние...............................90

Четырехволновое смешение.............................................91

Резюме..................................................................92

ГЛАВА 5. ОПТИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ..........................................94

Полупроводники..........................................................94

VCSEL................................................................99

Детекторы...........................................................102

Усилители..............................................................103

Мультиплексирование с
разделением длин волн................................................107

Фильтры................................................................111

Оптоволоконные решетки Брэгга..........................................112

Другие компоненты......................................................114

Резюме.................................................................115

ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИИ КОММУТАЦИИ.........................................116

Задачи коммутации......................................................117

Коммутаторы ООО и ОБО..................................................118

Создание оптических коммутаторов.......................................121

Основные конструкционные
типы коммутаторов....................................................123

Блокировать иль не блокировать.......................~.................124

Получение оценочных характеристик......................................126

Технологии создания оптических коммутаторов............................127

MEMS................................................................128

Оптомеханические коммутаторы........................................129

Электрооптические и термооптические коммутаторы.....................129

Пузырьковые коммутаторы.............................................130

Жидкокристаллические коммутаторы....................................131

Уходящая сцена....................................................... 133

Акустооптические коммутаторы........................................134

Коммутация с преобразованием длин волн.................................134

Резюме.................................................................135

ЧастьЗ.................................................................138

ГЛАВА 7. ФАКТОР SONET..................................................139

Жизнь до SONET.........................................................139

Дело времени........................................................140

Иерархия SONET......................................................142

Конфигурации SONET..................................................144

Защита SONET........................................................145

Отображение служб SONET.............................................14”
Формирование кадров SONET.........................................148

Проблемы, стоящие перед SONET.....................................150

Ответ SONET.......................................................152

За пределами SONET................................................152

Резюме...............................................................152

ГЛАВА 8. ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫХ СЕТЕЙ......................154

Новые региональные сети...........................................155

Технологии........................................................157

Протокол 10 Gigabit Ethernet.........................................163

Нерешенные проблемы 10 Gigabit Ethernet..............................166

RPR...............................................................168

OTN...............................................................169

Транспортный уровень OTN..........................................172

Иерархия OTN......................................................173

Резюме...............................................................174

ГЛАВА 9. ДИСТАНЦИЯ «ПОСЛЕДНЕЙ МИЛИ»..................................175

Вызов брошен.........................................................177

Полосы пропускания всех цветов....................................177

«Последняя миля» сегодня.............................................179

Гибридные коаксиально-
волоконно-оптические системы......................................183

Широкополосная беспроводная связь.................................185

Завтрашний день «последней мили».....................................186

PON.............................................................  187

Варианты разработок PON..............................................190

Безопасность и QoS................................................193

Управляемость и живучесть.........................................194

Сети EPON и Ethernet на отрезке
«первой мили».....................................................195

Беспроводная оптика..................................................197

Резюме.............................................................  198

ГЛАВА 10. ПЕРЕДАЧА ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ...............................199

Сведение обеих частей воедино........................................200

Одноранговая модель..................................................201

Сегодняшние проблемы маршрутизации................................201

Возникновение MPLS...................................................203

GMPLS................................................................205

Оверлейная модель....................................................207

ASON/ASTN............................................................208

Резюме...............................................................210

ГЛОССАРИЙ............................................................211

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ.................................................239
Предисловие
научного
редактора

Сели XX век считать веком рождения и формирования компьютеров и компьютер-
ных технологий, которым еще предстоит долгий путь к совершенству, то XXI век дол-
жен решать задачу информатизации общества в целом. Суть этой задачи, по-видимому,
заключается в исследовании, разработке и создании компьютерно-сетевых технологий, обес-
печивающих возможность получения санкционированного доступа к необходимым информа-
ционным ресурсам во времени и в пространстве.

Пространственно-временные факторы являются естественными составляющими су-
ществования в целом, и человечества - в частности. В плоскости же информатизации
пространственный фактор учитывает удаленность пользователя от необходимых инфор-
мационных ресурсов, т.е. от пользователя к ресурсу должен существовать канал досту-
па, где бы он ни находился. Временной фактор обуславливает соответствующую произ-
водительность этого канала, гарантируя пользователю, что он получит информацию
тогда, когда она ему необходима.

Безусловно, в общем случае подобная задача трудно разрешима с точки зрения ее
практической реализуемости. Однако последние достижения в области оптоволоконных
технологий и оптических сетей открывают широкие возможности для достижения по-
ставленной цели. Всего несколько десятков лет тому назад получившее путевку в жизнь
оптоволокно перешагнуло за это время «свои границы». Имеющее диаметр от 8 нм до
62,5 нм и обладающее прочностью стали, оно в состоянии обеспечить передачу данных
десятками терабайт в секунду!

Кроме того, представьте себе, что оптоволокно, которое является экологически чис-
тым в прямом и переносном смысле и кристально чистым в прямом смысле, служит для
транспортировки самого загадочного и самого быстродействующего вида сигналов - све-
та. Поэтому оптоволокно заслуживает самого пристального внимания всех специалистов,
внедряющих технологию интеллектуальных сетей для «всеобщей информатизации».
В этом плане актуальность издания книги Дэвида Гринфилда «Оптические сети. Вве-
дение в технологию» не вызывает ни каких сомнений.

Она написана простым, доступным каждому грамотному человеку языком. Именно
эта особенность книги привлекла внимание издательства Диасофт, поскольку на сегод-
няшнем уровне развития сложнейших оптоволоконных технологий не так-то легко найти
книгу подобной тематики, понятную массовому читателю. В этом смысле труд автора
книги сложно переоценить.

Условно содержание книги можно разделить на три части. Первая часть книги по-
священа фундаментальным принципам передачи световых сигналов в современных ус-
ловиях. Вторая часть охватывает оптические и другие компоненты, позволяющие транс-
портировать световые импульсы к адресату.

Наконец, в третьей части автор излагает принципы большинства современных тех-
нологий, образующих основу для создания сетей передачи данных на базе оптических
каналов связи. По этой причине автор уместно описывает сетевые архитектуры, имею-
щие прямое отношение к технологиям создания оптических сетей.

Считаю, что эта увлекательная книга может быть полезной не только для любознатель-
ных людей, студентов, аспирантов, а также для специалистов несмежных областей, заня-
тых разработкой и внедрением оптических сетей передачи данных. Она также может пред-
ставлять интерес для поставщиков услуг связи, в том числе, для Интернет-провайдеров,
занятых рационализацией и повышением эффективности предоставляемых услуг.

Не далек тот день, когда вам, на работе или дома, не надо будет думать о недоста-
точной производительности каналов для всех видов информации (для любого количе-
ства аудио, видео, речевых каналов: да-да, это так!), а наоборот — надо будет думать,
как рационально использовать огромные возможности предоставляемых вам лично или
вашей организации полос пропускания каналов связи... Начинается эра интеллектуаль-
ных сетей XXI века, а оптические сети составляют их сердцевину. Поэтому чтобы не
«отстать» от мира интеллектуальных сетей, сделайте эту книгу своей настольной. Она
вам послужит много лет. Удачи вам в виртуальном мире световых импульсов.

Научный редактор,
член-корр. УкрАИН
Н.И. Алишов
Предисловие

ДЦобро пожаловать! Если уж вы, читатель, дошли до этих строк, значит вас интере-
сует волшебный мир оптических сетей. Это мир, которому предстоит самым кардиналь-
ным образом изменить компьютерные сети, а заодно и жизнь людей, которые ими
пользуются, т.е. нашу с вами жизнь. Несмотря на многообещающие перспективы, кото-
рые сулят нам оптические сети и захватывающие оптические технологии, на эту тему
написано удивительно мало книг, рассчитанных на неспециалистов. Те, кто имеет дело
с техникой, или люди, питающие интерес к этой области, найдут немало литературы по
этому вопросу, напичканной всевозможнейшими формулами и уравнениями, которые
обычному человеку ни о чем не говорят. Для тех же из нас, кто привык мыслить слова-
ми, а не квадратными корнями, оптические сети по-прежнему остаются огромным тем-
ным пятном. Время от времени проскакивают отдельные сообщения относительно се-
тей, обладающих терабитовой производительностью, говорится что-то об исторических
изменениях и всем таком прочем, но в целом публикуется чрезвычайно мало литерату-
ры, которая была бы понятна людям, далеким от оптики.

Это и явилось побудительным мотивом к написанию данной книги. На ее страницах
мы расскажем вам о волшебном мире лазеров, коммутаторов и оптических сетей. Будут
рассмотрены основные понятия, касающиеся волоконно-оптических кабелей и тех ком-
понентов, которые нужны, чтобы соединить их между собой. Вы близко познакомитесь
с наиболее известным оптическим методом передачи информации — мультиплексиро-
ванием с разделением длин волн, а также с тем, как работает этот метод.

Однако для создания современной оптической сети одного соединения оптоволокон-
ных кабелей между собой еще не достаточно. К тому, чтобы сделать стоимость связи,
осуществляемой на световых скоростях, умеренной и доступной как для корлсгатиз-
ных, так и для индивидуальных пользователей, привлекаются все новые и нсзьте техно-
логии. Одни из них заставляют телефонные компании в корне изменить сам •
построению центральной части региональных сетей, тогда как другие позволяют опти-
ческим элементам изменять даже сами характеристики сетей в зависимости от типа
передаваемых данных.

Указанные технологии не относятся к оптике в строгом смысле этого слова, но их
знанйе очень важно для понимания того, в каком направлении развиваются оптичес-
кие сети, и в частности - оптические сети общего пользования. Все эти технологии будут
описаны нами в этой книге без привлечения того немыслимого количества численных
данных и умопомрачительных уравнений, которые обычно используются при обсужде-
нии подобных вещей.

Разумеется, невозможно было обойтись без компромиссов. Тех знаний, которые вы
здесь получите, будет недостаточно для того, чтобы сразу же взяться за дело и начать
создавать оптическую сеть. Если ваша цель именно такова, вы найдете уйму других книг,
которые помогут вам в этом. Но если ваше основное занятие — это маркетинг, сбыт,
юриспруденция, научные исследования, людские ресурсы или руководство проектами,
или же вы — студент, инженер, желающий переключиться на другую область, или про-
сто человек, который желает получить общее представление о предмете, расширить
кругозор или вообще почитать что-нибудь легкое — перед вами как раз то, что нужно.

С этой целью настоящее «Оптические сети» составлено таким образом, чтобы в него
входил материал различной степени сложности, ориентированный на читателей с раз-
личным уровнем подготовки. Изложение ведется на языке, который не требует специ-
альных математических знаний и будет понятен людям, имеющим общее образование.
Те, кто не может обойтись без формул, смогут найти их во вставках «Комментарии док-
тора Чока по поводу ...», которые будут встречаться вам на протяжении всей книги. Для
удобства читателей книга снабжена алфавитным указателем, в который вошли ключе-
вые термины, выделенные в тексте полужирным шрифтом. Смысл этих терминов разъяс-
няется в глоссарии, который попутно можно использовать в качестве справочника. Ри-
сованные персонажи появляются в тех местах книги, где о сетях говорится в шутливой
форме (оказывается, даже такое возможно!).

Тем, у кого отсутствуют какие-либо знания в этой области, рекомендуем начать с
главы 1 части I. Эта глава содержит материал обзорного характера и поможет вам войти
в курс дела. Глава 2 предназначена для тех, кто уже в какой-то степени соприкасался с
миром сетевых коммуникаций или же имеет некоторое представление о сетях для пере-
дачи голосовых сообщений, но не обладает достаточными знаниями в области сетей
передачи данных. Мы последовательно рассмотрим различные технологии, необходи-
мость в которых возникает при создании корпоративных сетей, но которые все чаще
применяются при развертывании сетей общего пользования современного типа.

Часть II адресована читателям, которые хотят получить подробное представление о том,
без чего не может обойтись ни одна оптическая сеть, а именно — о волоконно-оптичес-
ких кабелях и других компонентах сети. В главе 3 объясняется физическая суть явлений,
делающих возможным распространение сигналов по оптоволоконным линиям. В главе 4
рассказывается о типах волоконно-оптических кабелей и о тех трудностях, с которыми
приходится сталкиваться при передаче сигналов по кабелям этого типа. Глава 5 содержит
рассмотрение различных компонентов, необходимых для создания оптоволоконных се-
тей, начиная с усилителей и лазеров и заканчивая фильтрами и коммутационными уст-
ройствами. Первая часть книги завершается главой 6, в которой описаны различные типы
коммутаторов, используемых при построении сетей общего пользования.
Часть III книги выходит за рамки рассмотрения традиционных оптических техноло-
гий и акцентирует внимание читателя на новых возможностях доступа к сети и техно-
логиях, которые требуются для создания сетей завтрашнего дня. Глава 7 посвящена об-
зору стандарта SONET, используемого в настоящее время для расширения сетей общего
пользования. В главе 8 анализируются нарождающиеся технологии, которые могли бы
заменить SONET в региональных сетях. В главе 9 анализируются возможные пути за-
мены SONET в той его части, которая связана с доступом к помещениям клиентов.
Наконец, в главе 10 рассматриваются технологии, используемые для объединения раз-
личных служб и инфраструктуры в единое целое.

Это поистине волшебный мир. Я надеюсь, что чтение этой книги доставит вам такое
же удовольствие, какое получил я, когда ее писал.
Благодарности

Очевидно, что успешность такого проекта, как данная книга, зависит от помощи
многих людей. Инженеры и исследователи, друзья и коллеги со всего земного шара
оказали мне содействие, которое трудно переоценить.

В надежде, что никого не упущу, хотел бы выразить благодарность всем этим лю-
дям, щедро делившимся со мной своими знаниями. При написании книг подобных этой
очень важно научиться мыслить категориями оператора, и в этом смысле многие оказа-
ли мне бесценную помощь. Скотт Бедуин (Scott Beudoin) и Скотт Польман (Scott
Pohlman) из Williams Communications, равно как и Рик Бубеник (Rick Bubenik), Грег
Графф (Greg Graff), Джейсон Гутеншвагер (Jason Gutenschwager) и Майк Гордон (Mike
Gordon) из Savvis Communications великодушно жертвовали ради меня своим временем.
Син Доран (Sean Doran), Джон Ширинг (John Shearing) и Лео Мак-Клоски (Leo
McCloskey) из Ebone во многом просветили меня относительно европейских перспек-
тив. Разумеется, особая благодарность Педро Фалькао (Pedro Falcao) из Ebone за изло-
жение своей оригинальной точки зрения на эволюцию WDM.

Часть II посвящена рассмотрению волоконно-оптических кабелей и других компо-
нентов, составляющих основу интеллектуальной оптической сети, и в этом отношении
весьма ценную информацию предоставила Барбара Биррел (Barbara Birrell) из ЗМ. Ог-
ромную помощь при подготовке этого раздела и, в частности, при подборе материала,
который в конечном счете превратился в Приложение А данной книги, оказал Стив
Свенсон (Steve Swanson) из Coming. Приношу огромную благодарность автору Джеффу
Хекту (Jeff Heckt) за его великодушное разрешение использовать многие из формул,
которые были собраны им в его книге ^Understanding Fiber Optics», одной из лучших в
данной области. Написание главы по оптическим компонентам стало вообще возмож-
ным благодаря тщательной и добрососовестной работе Майкла Фактора (Michael Factor)
над этим материалом, изложение которого требовало немалых усилий. Громадную по-
мощь при написании материалов об удивительном мире оптических коммутаторов ока-
зал мне Наймиш Пател (Naimish Patel) из Sycamore. После учета его замечаний глава
по этой теме стала значительно лучше.
Часть III в основном посвящена изучению возникающих технологий. Эта область от-
личается чрезвычайным динамизмом, и составить обзор сложившейся, пусть даже и на
короткое время, текущей ситуации мне помогало множество людей. Грэг Графф (Grag
Graff) из Savvisno3HaKOMiDi меня с тонкостями мира SONET. Марк Джоунс (Mark Jones)
из Sprint нашел время, чтобы прочитать большую часть рукописи по SONET, сопроводив
материал бесценными комментариями. Энрике Хернандес-Валенсия (Enrique Hernandez-
Valencia), автор общей процедуры формирования кадров (generic framing procedure — GFP),
предоставил информацию о протоколе, который отмечен его вкладом.

Множество новых технологий претендуют на то, чтобы составить достойную конку-
ренцию SONET на арене региональных сетей. В качестве фаворита часто упоминается
RPR. Приношу большую благодарность Лорен Шлихт (Lauren Schlicht) из Mindspeed,
Джону Хокинсу (John Hawkins) из Nortel и Майку Тейкфману (Mike Takefman), содей-
ствие которых помогло сорвать покровы таинственности с этого протокола.

В то же время, RPR — не единственный из протоколов, собирающихся нанести смер-
тельное поражение SONET. В губительном для SONET списке соперников можно найти
немало других технологий, знакомство с которыми значительно упростила помощь, ока-
занная мне многочисленными специалистами в этой области. Боб Бут (Bob Booth) из Intel
и Пэт Тейлор (Pat Thaler) из Agilent разъяснили мне некоторые моменты, касающиеся
спецификации 10 Гбит/с Ethernet, а Кристер Бом (Christer Bohm) из Netlnsight просветил
меня относительно DTM, в разработке которого он принимал частичное участие. Джил-
лис Джонкур (Gilles Joncour) из France Telecom и д-р Стефен Траубридж (Stephen
Trowbridge) из Lucent оказали мне чрезвычайно большую помощь в сборе информации и
в понимании сущности спецификации OTN и родственных с нею спецификаций.

Масса изменений происходит на отрезке «последней мили», и собрать воедино всю
необходимую информацию мне помогали несколько людей. Юрий Гельман (Yuri Gelman)
из Orckit не пожалел времени для прочтения раздела, посвященного DSL. Марк Гузин-
ски (Mark Guzinski), руководитель исследовательского проекта в области кабельных
технологий, превосходно помог разобраться в сущности кабельной модемной техноло-
гии. Фрэнк Эффенбергер (Frank Effenberger) из Quantum Bridge оказал значительное
содействие при работе над материалом по PON. То же самое можно сказать и о Ральфе
Балларте (Ralph Ballart) из SBC.

Оптические сети — это нечто намного большее чем просто инфраструктура. Кроме
тех, кого я уже упомянул, большую помощь в заполнении некоторых пробелов в обла-
сти MPLS оказал мне Росс Кэллон (Ross Callon).

Инженеры и специалисты — именно им обычно уделяется наибольшее внимание.
Однако следует упомянуть и о целом коллективе людей, оставшихся скрытыми за кули-
сами сцены; я имею в виду специалистов по PR и маркетингу, которые также заслужи-
вают огромной благодарности. А посему хочу отдать должное всем тем, кого я ниже
перечисляю: Холи Хасл (Holly Hassle) из ЗМ, Хетер Мак-Коллоу (Heather McCollough)
из Crossing, Джим Мессенджер (Jim Messenger), Стив Эйзенберг (Steve Eisenberg), Вен-
ди Заяк (Wendy Zajak) и Рей Зардетто (Ray Zardetto) из Lucent, Венди Ли (Wendy Lea) и
Петти Мак-Киссик (Patty McKissik) из Williams, Дженис Конклин (Janice Conklin) из
Savvis and TSI Communications, Оливия Харрис (Olivia Harris) и Рита Рэбит (Rita Rabbit)
из Ebone, Дебра Шифф (Debra Schiff) из IEEE, Кристи Блэйк (Christie Blake) из Sycamore,
Ангелина Лопес (Angelina Lopez) из Conexant, Кэрол Торнтон (Carol Thornton) и Роман
Кихоровски (Roman Kichorowsky) из Mindspeed, Стив Куйат (Steve Kuyatt) из Tektronix
и Йоел Нол (Yoel Knolh из Orckit.
Любой проект строится на каком-то фундаменте, строители которого также заслужи-
вают упоминания. Приношу свою благодарность Арону (Aaron), Джо (Joe), Ли (Lee), Питу
(Pete) и Стиву (Steve) из Data Communications за привитие мне устойчивого вкуса к качествен-
ной журналистике. Хотя этого журнала давно уже нет, его богатые издательские тради-
ции продолжают жить в сердцах всех тех из нас, кто был с ним каким-то образом связан.

Благодарю Энди (Andy), Стива (Steve) (имеется в виду Стейнке (Steinke)) и всех ос-
тальных сотрудников Network Magazine за их терпимое отношение ко мне во время на-
писания этой книги. Что делает Network Magazine отличным местом работы, так это та
свобода, которую Стив (Steve) предоставляет пишущему люду в исследовании интере-
сующих их областей, что для меня, в частности, означало возможность удовлетворить
свое любопытство в отношении оптики. Благодаря ей сейчас словно из рога изобилия
сыплются все новые и новые сетевые технологии, постепенно охватывающие как обще-
доступные, так и корпоративные сети. Ну, а что касается Энди (Andy), то ему еще и
отдельная благодарность за то, что он связал меня с издательством Prentice Hall.

С людьми из Prentice Hall работается отлично. Мой редактор, Мэри Франц (Магу
Franz), не только была терпелива в выслушивании всех моих 1001 идеи, но и всегда
вовремя отрезвляла меня. Мой технический редактор Фейи Джемелларо (Faye
Gemmellaro) — сущий динамит в проводке экземпляров рукописи сквозь жернова ре-
дактирования. Джерри Ботта (Jerry Votta) заслуживает благодарности за то, что превра-
тил мои каракули (хотя их и коснулась программа Visio) в нечто, напоминающее худо-
жественное произведение. Благодарю Брюса Кенселаара (Bruce Kenselaar) за подготовку
макета обложки, а также группу маркетологов в составе Брайна Гамбрела (Bryan
Gambrel), Дэна ди-Паскуале (Dan DePasquale) и Майка Ваккаро (Mike Vaccaro) за всю
ту помощь, которую они мне оказали.

Одной из замечательных возможностей, которые предоставила эта книга, была воз-
можность разбавить техническое изложение небольшой толикой юмора. В этом смысле
хочу выразить огромную благодарность Дэррилу Мордехаю (Darryl Mordehai) — альпи-
нисту, музыканту и великолепному карикатуристу. Его наблюдательный глаз и талант
сделали эти страницы намного более приятными для чтения. Такие же слова благодар-
ности могу сказать и в адрес Моше Микофф (Moshe Mykoff) за его критические заме-
чания по тексту и готовность тратить на меня время и нервную энергию.

В связи с этим проектом досталось всем, не исключая мою семью и друзей. Да, Ха-
нани (Chanani), Мейра (Meira) и Яков (Yaacov)! Наконец-то все закончено, и моя вам
благодарность за то, что были терпеливы, когда Аббе (Abba) приходилось не спать, ра-
ботая до самого утра.

Разумеется, кто-то должен был тянуть семейный воз, и моя жена Элен (Ellen) была мне
надежной опорой. Если бы не ее поддержка и не то, что она полностью избавила меня от
каких-либо домашних забот в процессе написания книги, эта книга никогда бы не увиде-
ла свет. Ее замечания позволили мне взглянуть на сетевые технологии глазами непрофес-
сионала. Всех моих слов не хватит выразить ей благодарность, которую она заслужила.

И наконец, мой поклон самому первому Инженеру-оптику, благодаря которому эта
книга и вообще все сущее вокруг стали возможными. Без сотворения Им света в пер-
вый день (а также некоторых других вещей, сотворенных Им в последующие дни) не о
чем было бы и писать. Идея света была воистину великолепной!

ДЭВИД ГРИНФИЛД
Иерусалим, август 2001

Любые замечания, пожелания и предложения, касающиеся данной книги, будут только приветствоваться.
Связаться со мной можно по адресу: davegreenfield@hotmail.com.
Часть 7
Глава 1

Работа в сети со скоростью
света

В этой главе ...

•	Коротко о сетях общего пользования

•	Трафик меняется

•	Долой старое

•	Да здравствует новое

•	Оптические компьютеры

•	Службы оптических сетей

•	Резюме

Сегодняшняя телефонная сеть общего пользования испытывает метаморфозы. Гря-
дущие изменения коснутся каждой компании, а в действительности — каждого челове-
ка во всем цивилизованном мире. Изменения, о которых идет здесь речь, связаны с на- -
метившейся среди операторов связи тенденцией к переходу от телефонных сетей,
работающих на электрических импульсах, к сетям, работа которых основана на исполь-
зовании импульсов света. В практическом плане это означает переход от малопроизво-
дительных, негибких по своим возможностям сетей к сетям с неограниченной произво-
дительностью, способной удовлетворить любые мыслимые требования.

Даже если тема кабелей, способных передавать триллионы битов данных, увлекает
вас меньше, чем, скажем, самый последний рассказ Гришэма, а разговоры о полосах
пропускания наводят грусть, изменения в системе телефонной связи все равно окажут
самое ощутимое влияние на вашу жизнь. Благодаря будущему развитию инфраструкту-
ры связи на оптических компонентах компании, работающие на рынке телекоммуни-
каций, смогут передавать по одним и тем же линиям одновременно и голос, и цифро-
вые данные, что даст им возможность снизить стоимость предоставляемых ими услуг и
реагировать на запросы клиентов в течение секунд, а не недель.

Каким образом это коснется нас с вами? Хорошо, разрешите ответить вопросом на
вопрос. Пробовали ли вы когда-нибудь организовать срочную видеоконференцию, ког-
да времени для этого остается в обрез? Вероятно, нет, поскольку в условиях современ-
ной телефонной сети для подготовки такого соединения потребуются дни, если не не-
дели. Использование же интеллектуальной оптики позволит осуществить необходимые
подключения в течение нескольких минут.
Или же рассмотрим ситуацию, связанную с деятельностью любого малого предпри-
ятия. Возьмем, например, небольшой продуктовый магазин. Учет товаров всегда пред-
ставлял трудность для семейных предприятий подобного рода. Сколько, например,
пакетов молока необходимо заказать на завтра? А в случае сезонной продукции возни-
кает вопрос о том, когда именно лучше всего сделать заблаговременный заказ, чтобы
он был выполнен до того, как на данный товар возникнет покупательский спрос.

Не зная ответов на эти вопросы, владельцы подобных магазинов в результате заку-
пают товар в большем количестве, чем это необходимо. Разумеется, для хранения воз-
росшего объема товара требуется дополнительное место, и поэтому приходится либо
расширять имеющиеся складские помещения, либо арендовать или приобретать новые,
что в любом случае связано с дополнительными накладными расходами.

Организация своевременных поставок за счет автоматического формирования зака-
зов способна уменьшить эти расходы. Однако для средних и малых фирм такое ново-
введение не по карману, и его реализация оказывается для них обременительной. Не-
большие фирмы не могут позволить себе содержать информационный отдел; создание
собственной сети, объединяющей их с поставщиками, со всем необходимым программ-
ным и аппаратным обеспечением для установления в сети надежной и безопасной свя-
зи, им также не под силу.

Обратимся теперь к оптическим сетям. В этом случае даже небольшие компании смо-
гут воспользоваться всеми выгодами, которые несет с собой автоматизация закупок. Ав-
томатически выделяемые линии дадут возможность организовывать безопасные частные
сети через Internet. Электронная торговля наконец-то будет реализована в полной мере.
Владельцы продуктовых магазинов (grocery store owners) смогут подключаться к узлу
grocerystoreowners.com и выбирать поставщиков, предлагающих товары по наиболее выгод-
ным ценам. Можно будет создавать виртуальные частные сети (virtual private networks —
VPN) — разновидность безопасных магистралей через Internet, связывающих заказчика со
всеми поставщиками. На этом этапе управление сложной задачей предоставления постав-
щикам такого доступа к сети клиента, который обеспечивал бы поддержание запаса това-
ров на нужном уровне и при этом сохранял достаточно высокий уровень безопасности и
закрытости сети, должны будут взять на себя процессы на уровне приложений.

Что касается рядовых клиентов, то описанные преобразования сети общего пользо-
вания окажутся выгодными и для них. Высококачественные видеоконференции, бесплат-
ные или почти бесплатные телефонные звонки и действительно быстрый доступ к
Internet — вот лишь некоторые из возможных примеров ожидаемых благ. Ленитесь сбе-
гать за видеокассетой? Щелчок на экране — и в вашем распоряжении меню, содержа-
щее десятки тысяч фильмов! Создание соответствующей инфраструктуры сделает воз-
можным предоставление всех этих услуг через Internet.

Однако для реализации услуг подобного рода одного лишь простого оптического
оборудования недостаточно. Операторы связи давно осознали преимущества оптики над
электроникой. Что требуется сейчас, так это интеллектуальная оптика. Современная сеть
общего пользования в значительной степени представляет собой оптическую сеть вто-
рого поколения. В наше время операторы постоянно расширяют возможности своих
сетей, делая их более эффективными и гибкими, иначе говоря — более интеллектуаль-
ными. В конечном счете, эти изменения проникнут в каждое офисное помещение, а
Фактически — в каждый настольный компьютео. поиближая их к «свету».
Коротко о сетях общего пользования

Чтобы понять, каковым будет воздействие на нашу жизнь оптических сетей, необ-
ходимо, прежде всего, дать оценку существующей сети общего пользования. На сегод-
няшний день десятки, если не сотни компаний в США отвечают за состояние того, что
мы называем телефонной сетью, — огромного аморфного конгломерата из проводов и
коммутаторов, соединяющих между собой жилые дома и офисы по всей стране.

Телефонная сеть настолько обширна, что справляться с ее управлением становится
все труднее. Где заканчивается одна ее часть и начинается другая? Наилучшей аналоги-
ей для телефонной сети может служить система автомобильных дорог. Дорожная сеть
состоит из магистралей, связывающих между собой города, а также из имеющихся в
каждом из городов главных транспортных артерий и улиц с расположенными вдоль них
жилыми и общественными зданиями.

Такая же картина наблюдается и в случае телефонной сети. Города соединены меж-
ду собой сетями дальней связи (long-haul networks), по которым операторы дальней свя-
зи организуют передачу больших объемов данных на дальние расстояния. Эти сети обо-
рудованы высокоскоростными коммутационными устройствами, с помощью которых
трафик направляется в различные города. К сетям дальней связи подключены региональ-
ные сети (metropolitan или metro networks), обслуживаемые местными поставщиками
услуг (провайдерами). Каждая региональная сеть включает в себя общегородскую сеть
(citywide network), называемую центральной региональной сетью (metro core network), и
периферийные сети (neighborhood networks), называемые региональными сетями доступа
(metro access networks). Центральные региональные сети являются главными артерия-
ми, связывающими воедино все окрестности. Подключение жилых домов и офисов к
центральной региональной сети осуществляется с помощью региональных сетей досту-
па (рис. 1.1).

сети

РИСУНОК 1.1

Сеть общего пользования включает в себя сети дальней связи, центральные региональные сети и
региональные сети доступа.
Тридцать лет назад ситуация была совершенно иной. Единственным владельцем се-
тей дальней связи и местных телефонных сетей, который и обеспечивал их эксплуата-
цию, являлась компания AT&T. В 1984 году Федеральная комиссия связи (Federal
Communications Commission — FCC) разделила AT&T на несколько компаний-провай-
деров, относящихся к одному из двух типов — телекоммуникационные компании, об-
служивающие линии междугородней связи, или линии информационного обмена
(Interexchange Carriers — IXCs (произносится «ай-экс-сиз»)), и семь региональных теле-
фонных компаний Bell (Regional Bell Operating Companies — RBOCs (произносится «ар-
бокс»)), обслуживающих местные телефонные линии. К числу компаний IXC относи-
лись WorldCom, Sprint, AT&T, а теперь Qwest, Global Crossing и Level 3, которые
обслуживали дальнюю связь между штатами. Региональные компании RBOC владели
инфраструктурой, обеспечивающей подключение жилищ и офисов, называемых поме-
щениями клиентов (customer premises), к сети. Состав упомянутых групп дважды претер-
певал изменения, и в настоящее время в результате объединения ряда компаний он
представлен следующим списком:

•	Verizon (ранее GTE и Bell Atlantic)

•	BellSouth

•	Southwestern Bell Communications (SBC, Pacific Telesis и Ameritech)

•	Qwest Communications (ранее Qwest и US West).

С выходом в 1996 году Закона о телекоммуникациях (Telecommunications Act) у реги-
ональных компаний RBOC появились конкуренты. Закон требовал, чтобы компании
RBOC предоставили другим телефонным компаниям, образовавшим конкурирующую
группу региональных телефонных компаний (Competitive Local Exchange Carriers —
CLECs (произносится «си-лекс»)) доступ к существующей инфраструктуре, обеспечи-
вающей подключение помещений клиентов к сети. Закон также позволял компаниям
CLEC использовать для оказания услуг в области телефонной связи новые инфраструк-
туры, построенные на высокоскоростных проводных и кабельных линиях.

Будучи не в состоянии оказывать конкуренцию в сфере обычных телефонных услуг,
компании CLEC попытались вырваться вперед, предлагая сочетание телефонных услуг
с высокоскоростным доступом к Internet. Несмотря на то что использование принадле-
жащей RBOC инфраструктуры позволило CLEC избежать высоких материальных и тру-
довых затрат, связанных с прокладкой траншей и кабелей, ее судьба по-прежнему оста-
валась в руках RBOC. Малейший отказ или создание затруднений в доступе к
помещениям клиентов со стороны RBOC, попытки чего в действительности имели ме-
сто, могли поставить под угрозу срыва планы CLEC.

В любом случае, облик отрасли заметно изменился. Система связи была представле-
на теперь сложным сплетением компаний, прокладывающих и покупающих линии свя-
зи, продающих их оптом и по частям, временами соперничающих, а временами сотруд-
ничающих между собой. Место у самого основания этой пирамиды сети общего
пользования занимали оптовики, владеющие инфраструктурой. Эти компании приоб-
ретали у правительства преимущественные права на прокладку траншей и кабельных
линий под землей и по дну океанов. Затем они либо сдавали в аренду или перепродава-
ли целиком всю волоконно-оптическую линию (так называемую «темную» линию) (dark
fiber) другим владельцам, либо ставили свое передающее оборудование с целью после-
дующей продажи некоторой части полосы пропускания.

Операторы, приобретающие полосы пропускания волоконно-оптических кабельных
линий, делились на три типа. Одни посреднические фирмы закупали целиком всю про-
пускную способность (capacity) линий, дополняли линии собственным коммутационным
оборудованием (switches) и перепродавали пропускную способность более мелкими
порциями пользователям или меньшим компаниям. Другие фирмы, не имеющие в сво-
ем распоряжении коммутационных устройств и не владеющие собственным передаю-
щим оборудованием, перепродавали часть пропускной способности линий и услуги,
которые поставлялись другими провайдерами. Кроме того, некоторые оптовые агенты
закупали полосы пропускания линий связи для заполнения брешей в собственных се-
тях на тех участках, где ими не были проложены необходимые сегменты подземных
волоконно-оптических линий.

С развитием сети Internet появился новый тип провайдеров. Поставщики услуг Internet
(Internet service providers — ISP) вместо предоставления пропускной способности линий
связи в чистом виде стали предлагать доступ к Internet. Среди провайдеров Intemet-услуг
также произошла дальнейшая специализация. Одни из них специализировались на обслу-
живании сети Web, предлагая размещение содержимого на своих страницах в Internet.
Появились поставщики приложений (application service providers — ASP), которые предо-
ставляли возможность разового использования того или иного приложения за определен-
ную плату. Услуги ASP стали предлагать такие крупные поставщики программного обес-
печения, как Microsoft, Adobe и SAP. Появились также провайдеры, оказывающие услуги
по хранению данных (storage service providers), и провайдеры услуг по управлению сетя-
ми (managed service providers — MSP), которые предоставляли компаниям возможность
передавать по контракту управление своими сетями другим фирмам. Аббревиатура MSP
применима также к провайдерам, предлагающим компаниям возможность привлекать
другие фирмы для обеспечения безопасности своих сетей (см. рис. 1.2).

ПП - полоса пропускания

ПрПр - предоставление приложений

ПЧД - предоставление частотных диапазонов

ПИ - предоставление инфраструктуры

ВОЛ - волоконно-оптическая линия

РИСУНОК 1.2

Сегодняшний мир телекоммуникаций представляет собой сложное сплетение покупателей и
продавцов средств и услуг.

Трафик меняется

Диверсификация рынка телекоммуникаций породила новую динамику цен на поло-
сы пропускания и привела к росту трафика. Параллельно с резким падением стоимости
пропускной способности каналов спрос на нее рос как на дрожжах, главным образом —
благодаря расцвету Internet.

Судите сами: при среднегодовом росте голосового трафика равном примерно 4 %
темпы роста индекса поставщиков магистральных линий Internet (Internet backbone
suppliers) выражались трехзначными числами.
Кроме того, спрос на повышенные сетевые ресурсы не имел выраженного локально-
го характера — еще одно значительное отличие от ситуации со старыми сетями общего
пользования. Трафик доинтернетовских времен обычно следовал правилу «80-20», т.е.
80 % всего потока передаваемых данных приходилось на внутригородские и внутрире-
гиональные сети, тогда как оставшиеся 20 % — на сети дальней связи. Сегодня это со-
отношение изменилось, и 80 % всего трафика США приходится на обмен информацией
между 25 крупнейшими городами.

Проведение подобного анализа осложняет переменчивая природа трафика Internet,
на который могут влиять события массового масштаба. После помещения в Internet сту-
дией Джорджа Лукаса предварительного выпуска заключительной части кинофильма
«Призрачная угроза» (The Phantom Menace) Internet-провайдеры сразу же почувствовали,
как стал возрастать трафик по мере того, как все новые и новые пользователи начинали
«скачивать» этот многомегабайтный файл. Причиной подобных изменений могут быть
не только кинофильмы, а и вообще все, что представляет массовый интерес. Такой же
эффект, например, производят выпуски Starr Report, равно как и онлайновые показы
мод Victoria’s Secrets.

Долой старое

Усиление конкуренции и изменение требований к трафику заставляют продавцов
полос пропускания снижать стоимость предоставляемых ими услуг. Постепенно выри-
совывается образ сети, которая сможет обеспечить достаточную пропускную способность
при одновременном удовлетворении всех требований к характеристикам передачи дан-
ных, которую можно будет осуществить в любой необходимый момент времени, — как
раз то, на что неспособна существующая сеть общего пользования.

Суть проблемы заключается в том, что основу традиционной телефонной сети со-
ставляет оборудование, установленное еще 20 лет назад, когда основной объем трафика
был представлен обслуживанием телефонных разговоров по коммутируемым каналам.
В те времена пропускная способность, необходимая для беспрепятственного обслужи-
вания каждого вызова, была хорошо известна — 64 Кбит/с. Поэтому современное обо-
рудование, так называемые мультиплексоры с разделением времени (time-division
multiplexer — TDM), разделяет использование общей полосы пропускания кабеля меж-
ду элементарными временными интервалами, каждому из которых соответствует передача
64 Кбит. На каждом из оконечных участков TDM-сети установлены коммутаторы, ко-
торые получают вызовы, поступающие, например, от телефонных аппаратов клиентов,
и отводят для них некий элементарный временной интервал. Далее эти временные ин-
тервалы отображаются с одного мультиплексора на другой, пока не достигают конечно-
го коммутатора, где процесс обращается и вызов доставляется по месту назначения.

Однако в наши дни картина трафика изменилась. Деление полосы пропускания на
каналы с фиксированной пропускной способностью 64 Кбит/с, как в случае передачи
голосовых сообщений, плохо подходит для передачи цифровых данных, чье поведение,
а вместе с ним и требования к параметрам трафика, носит взрывной характер, напоми-
ная боксера, который то делает нырок, то принимает выпрямленную стойку.

На практике, если в какой-то момент времени может потребоваться 8 Кбит/с, то в
следующий — 1 Мбит/с, а еще позже — некоторое промежуточное значение (см. рис. 1.3).
Попытки навязать передаче потоков цифровых данных параметры голосовых каналов
приводят к напрасному расходованию пропускной способности, поскольку каналы ока-
зываются задействованными не полностью. Прогресс в передаче голосового трафика
привел к тому, что и в этом случае использование каналов с полосой пропускания
64 Кбит/с оказывается нерациональным. Благодаря достижениям в области сжатия ре-
чевых сообщений обычные телефонные вызовы теперь удается «втискивать» в каналы
16 Кбит/с и ниже.

Доступные каналы

Входной поток

| \ 64	' .64' ’ | ' 64 I . 64 I ; ~ 64 I 64

Кбит/с Кбит/с I Кбйт/с [ Кбит/с J Кбит/с [Кбйт/с

И Поток данных

| | Отсутстве трафика

РИСУНОК 1.3

Ограничение фиксированными временными интервалами, которым соответствует передача
64 Кбит/с, не годится для цифровых сетей, поскольку приводит к нерациональному использованию
пропускной способности.

Более того, традиционные устройства, используемые в сегодняшних сетях, слишком
громоздки и дороги. Только для одной передачи речи необходимо использовать целую
цепочку оборудования, включающую в себя цифровые кросс-соединители (digital
crossconnects — DXC), устройства мультиплексирования методом добавления/ответвле-
ния каналов (мультиплексоры ввода-вывода; add-drop multiplexers — ADM) и другие муль-
типлексоры. Такой же набор устройств требуется и на приемном конце.

Ко всему этому нагромождению телекоммуникационных устройств следует добавить
еще оборудование, необходимое для оказания различного рода услуг. Операторы связи
смогут предоставлять широкий спектр услуг, включая услуги сетей Frame Relay и ATM
(asynchronous transfer mode — асинхронный режим передачи), для подключения офисов
к средствам доступа к Internet. Для каждого вида услуг требуются отдельные коммута-
торы, особые системы управления и специально обученный персонал.

Наконец, требования к трафику изменяются как никогда более быстро, тогда как сро-
ки выполнения заказов оставляют желать лучшего. Компании и индивидуальные клиен-
ты ожидают более высокого качества обслуживания и часто не желают неделями ждать
получения доступа к линиям. TDM и другие устройства часто не в состоянии обеспечить
быстрое выполнение заказов, поскольку требуют конфигурирования, или, выражаясь по-
простому, — наладки, каналов вручную, на что всегда уходит какое-то время.

Да здравствует новое

В чем состоит выход? В упрощении! Необходимо минимизировать набор используе-
мых устройств, избавиться от лишних служебных сетей и отказаться от использования
статичных голосовых каналов. Вместо этого следует создать динамичную сеть, которую
можно было бы конфигурировать, или настраивать, «на лету», в соответствии с теку-
щим типом трафика.
Развитие сети нового типа потребует нововведений во многих аспектах. Оно означает
создание и развертывание соответствующего базового программного обеспечения и аппа-
ратного оборудования, которые в равной степени были бы приспособлены для передачи
как голосовых сообщений с их довольно статичным и прогнозируемым трафиком, так и
потоков цифровых данных с их изменчивым, непредсказуемым поведением.

При этом разработчики должны также найти для новой сети пути обеспечения та-
ких прогнозируемости и надежности, которыми обладает традиционная телефонная сеть.
В основе телефонной сети лежит высокоэластичная инфраструктура, позволяющая изо-
лировать отказы в течение каких-нибудь 50 мс. Сохранение такой надежности сети при
одновременном придании ей гибкости, необходимой для поддержки возникающих при-
ложений, является непростой задачей. Конечная цель представляется результатом раз-
вития четырех поколений интеллектуальной оптической сети.

Первое поколение. Отнесем к этому поколению неинтеллектуальные сети, эксплуати-
ровавшиеся с конца 80-х до середины 90-х годов прошлого столетия. Хотя на про-
тяжении этого периода времени волоконно-оптические кабеля и использовались, но
только лишь в качестве среды для одиночных передач по сети Sonet или SDH. (Вы
узнаете больше о сетях SONET и SDH в главе 7.) Сам волоконно-оптический ка-
. бель рассматривался лишь в качестве одной из разновидностей простого канала, и
его уникальные свойства в основном никак не использовались.

Второе поколение. Начиная с конца 90-х годов оптические сети становятся более ин-
теллектуальными. Вместо простой прокачки одиночного потока данных по волокон-
но-оптической линии теперь начинает использоваться мультиплексирование с разде-
лением длин волн (wave-division multiplexing — WDM), благодаря которому кабель
превращается в целую систему виртуальных проводников. Каждой отдельной час-
тоте в волоконно-оптическом кабеле соответствует отдельный канал.

Третье поколение. В течение приблизительно пяти следующих лет наступит эпоха интел-
лектуальных оптических сетей. Старые системы SDH/SONET постепенно вытеснятся
оптической инфраструктурой, в которой для передачи данных будет использоваться
световое излучение как таковое. С оптическим механизмом будет тесно увязан про-
токол TCP/IP — комбинация протокола управления передачей/протокола Internet
(Transmission Control Protocol/Intemet Protocol). При поступлении новых запросов на
IP-обслуживание конфигурация сети будет изменяться автоматически. Вместо кана-
лов, на создание которых ранее могло уйти несколько недель, придут каналы, созда-
ваемые в течение нескольких минут, которые обеспечат именно те параметры трафи-
ка и сроки исполнения заказа, которые требуются для данного сеанса передачи.

Четвертое поколение. Примерно к 2015 году мы станем свидетелями становления сетей,
полностью основанных на волоконной оптике. Наконец-то будет достигнута нир-
вана. Вместо превращения сигналов из оптической формы в электрическую и на-
оборот весь трафик будет осуществляться исключительно в виде световых волн. Про-
изводительность сетей возрастет на семь порядков. Взаимные превращения
электрических и оптических сигналов неизбежно ухудшают эксплуатационные ка-
чества сети. Сохранение исключительно оптической формы сигналов позволит дос-
тигнуть небывалой производительности.
Оптические компьютеры

Разумеется, появится и пятое поколение, и ознаменовано оно будет созданием офис-
ного оборудования на оптических элементах. С течением времени оптика из сети об-
щего пользования начнет проникать в помещения компаний. В конечном счете, свет
доберется и до компьютеров. По всей вероятности, в компьютерах оптическая техноло-
гия смешается с электронной. Это сочетание намного повысит быстродействие компь-
ютеров по сравнению с сегодняшним. По оценкам некоторых специалистов для реше-
ния задач, на которые сейчас уходят годы, будет требоваться всего лишь несколько часов.

В частности, подобные системы будут хорошо приспособлены для распознавания
образов по типу того, как это делает человеческий мозг, обрабатывая зрительную ин-
формацию. Хотя и может казаться, что эта задача представляет лишь ограниченный
интерес, но распознавание образов является необычайно мощным инструментом, спо-
собным оказать глубокое воздействие на развитие весьма широкого круга приложений,
охватывающего не только ведение учета или проведение детективных расследований,
но и программное обеспечение для детей. Например, дети будут иметь возможность
ближе познакомиться с неизвестным им видом животных, просматривая фотографии.
Сегодняшние компьютеры не позволяют вплотную подойти к реализации подобных
возможностей в полной мере.

Построение компьютера на оптических компонентах, или оптического компьютера,
может звучать как научная фантастика, но такой компьютер был в действительности
изготовлен. Еще в 1994 году группа студентов под руководством Гарри Ф. Джордана
(Harry F. Jordan), Винсента П. Хейринга (Vincent Р. Heuring) и Роберта Ф. Фойерштай-
на (Robert F. Feuerstein) разработала устройство, которое, по их утверждению, можно
смело назвать первым оптическим компьютером общего назначения (Stored Program
Optical Computer — SPOC). Пожалуй, «общего назначения» — это преувеличение. Ком-
пьютер мог выполнять основные арифметические операции, но не думайте, что на нем
удалось бы запустить Microsoft Office.

Исследователи также упорно работают над созданием квантовых компьютеров, т.е.
компьютеров, в которых для представления битов и байтов используются частицы ато-
марных и субатомных размеров. Более того, квибиты (от quibit — quantum-bit, или кван-
товый бит) способны удерживаться во множестве состояний, что позволит основанным
на них компьютерам одновременно выполнять практически неограниченное количество
различных вычислений.

Ранние оптические компьютеры, наподобие SPOC, страдали рядом недостатков, один
из которых, занимающий далеко не последнее место, был связан с памятью. Ко време-
ни создания упомянутой группой компьютера SPOC еще не были найдены способы за-
медления света или удержания его в стационарном состоянии в течение достаточно
длительного промежутка времени, позволяющего использовать свет для хранения ин-
формации. Кроме того, указанная система состояла из множества оптоволоконных ка-
белей, коммутаторов и соединителей и имела очень сложную конструкцию.

Результаты недавних разработок позволяют надеяться на преодоление описанных
трудностей. Исследователями создано множество архитектур, которые дают разработ-
чикам возможность уменьшить размеры оптического компьютера и упростить его кон-
струкцию. Вероятно, наиболее популярными являются устройства на основе микроэлек-
тромеханических элементов (MicroElectroMechanical — МЕМ). В этих устройствах ис-
пользуются наборы крохотных зеркал, которые мотут поворачиваться и перемещаться
под разными углами, обеспечивая прохождение света через устройство за счет много-
кратных отражений.

Однако имеющиеся на сегодняшний день оптические коммутаторы все еще требуют
преобразования световых импульсов в электрические, чтобы поток данных можно было
направить по нужному адресу. Эта проблема в значительной степени связана с невозмож-
ностью обеспечить хранение света в памяти. Недавно исследователями из института Ро-
ланда (Rowland Institute) и Гарвардского университета (Harvard University) был предпри-
нят первый шаг к созданию прототипа оптической памяти. Для остановки света обе группы
использовали бозе-эйнштейновский конденсат (Bose-Einstein Condensate — ВЕС) — наибо-
лее «холодный» из всех когда-либо созданных человеком материал, образующийся при
температуре -460° F (-273° С). При возбуждении атомов ВЕС лазерным излучением они
поглощают и захватывают свет, переизлучая его лишь после выключения лазера.

Исследователи надеются, что эту технологию можно будет применять не только в
оптической памяти. Можно также ожидать появления фотонных маршрутизаторов, в
которых перемещение потоков данных будет управляться фотонами. Точно так же, ис-
следователи рассчитывают на то, что ВЕС можно будет использовать для хранения кви-
битов, тем самым способствуя развитию квантовой вычислительной техники.

Службы оптических сетей

Ну, а теперь вернемся в настоящее время. Чтобы воспользоваться благами оптичес-
ких сетей, вовсе не обязательно ждать появления неких штуковин, возбуждаемых све-
том. Уже одно использование волоконной оптики с ее огромной пропускной способно-
стью в сочетании с новыми системами автоматического выделения линий позволяет
организовать службы, которые кардинальным образом изменят облик корпоративных
компьютерных сетей.

Эти новые службы смогут предлагать целый спектр полос пропускания с различными
приоритетами и характеристиками. Например, служба виртуальных линий сможет соеди-
нить между собой, без прокладки между ними отдельного кабеля, два офиса, к которым
подведены волоконно-оптические кабели. Это можно будет осуществить, назначая тако-
му каналу часть полосы пропускания. Крупные компании смогут использовать такую воз-
можность для организации связи со всеми своими поставщиками. ISP смогут использо-
вать эту службу для обеспечения подключений к Internet по самым низким ценам.

Службы заказных услуг принесут дополнительный выигрыш. Предположим, потре-
бителю необходимо установить между двумя элементами соединение с полосой пропус-
кания, обладающей специфическими характеристиками. Возможно, ему не требуется
занимать весь выделенный канал или же ему нужна полоса пропускания, обладающая
определенными функциональными возможностями. В подобных случаях обслуживаю-
щая телефонная компания сможет сформировать пакет из отдельных частей полосы
пропускания, имеющих различные показатели защиты, приоритета и скорости.

Службы межсетевых соединений LAN-to-LAN существуют уже в течение несколь-
ких лет, но с приходом оптики это определение приобретет совершенно новый смысл.
Традиционная организация связи LAN-to-LAN означает соединение локальных сетей
между собой с помощью сравнительно медленных каналов, обладающих пропускной спо-
собностью 1,5 Мбит/с, что можно сравнить с 10 — 100 Мбит/с для корпоративных сетей
на базе Ethernet технологии. (Не знаете, что такое Ethernet? Загляните в главу 2 для
беглого ознакомления.)

В случае же оптических сетей службы межсетевых соединений LAN-to-LAN смогут
предлагать скорости, сравнимые со скоростями, достигаемыми в локальных сетях. До-
ступ к транспортной сети потребители будут получать через интерфейс Ethernet с поло-
сой пропускания 1 Гбит/с. Какая именно часть этой полосы будет использована, зави-
сит от конкретных запросов потребителя. Как и в случае сетей Frame Relay или ATM,
потребитель будет платить лишь за небольшую долю пропускной способности канала,
одновременно имея возможность при необходимости резко увеличивать скорость пере-
дачи данных. По мере повышения требований к объему необходимых ресурсов, обслу-
живающие компании смогут предоставлять их в соответствии с возросшими запросами.

Наконец, службы коммутации оптических сетей позволят обслуживающим компа-
ниям оперативно запрашивать расширенную полосу пропускания путем простого вы-
зова, как при использовании обычной телефонной связи. Обслуживающая компания
время от времени может сталкиваться с изменениями области интересов своих потре-
бителей. Это может быть связано со спортивными соревнованиями, для освещения хода
которых обслуживающей компании на несколько часов потребуется парный канал ОС-
3 (2,4 Гбит/с). При наличии службы коммутации оптических сетей устройство, вклю-
ченное в сеть потребителя, «услышит» оптический аналог тонального вызова и смо-
жет, «набрав номер», заказать необходимую полосу пропускания, как в обычной
телефонии. Разумеется, в действительности все будет намного сложнее, чем в случае
простого телефонного звонка. Потребитель должен будет указать такие параметры, как
требуемый объем пропускной способности, схему защиты или адрес конечной точки,
но в остальном картина останется той же.

Что скрывается за этими новыми видами услуг? Возможность выделения полосы
пропускания по запросу позволит «на лету» конфигурировать VPN. Также возможным
станет обслуживание таких требовательных к производительности сети приложений, как
видеоконференции или видеосвязь по звонку.

Влияние подобных перспектив заметно сказывается в изменении подходов как к
построению корпоративных сетей, так и к организации сетей, принадлежащих обслу-
живающим компаниям. Что касается корпоративных сетей, то искусственное деление,
которое во многом определяло их облик, начинает быстро исчезать. До сих пор предпо-
лагалось, что основной объем трафика должен локализоваться на абоненте, поскольку
каналы между узлами абонентов были либо малопроизводительными, либо слишком
дорогими, чтобы удовлетворить корпоративные запросы трафика. Вспомните, что еще
не так давно считалось, что пара Т1 (1,54 Мбит/с) обеспечивает вполне приличное под-
ключение к Internet, в то время как сегодня, когда потребители могут использовать для
этой цели выделенные или разделяемые линии с пропускной способностью соответствен-
но 10 Мбит/с и 100 Мбит/с, ею никого не удивишь.

Поскольку оптические сети снимают проблему пропускной способности, становит-
ся возможной реализация сетей любой представляющей интерес конфигурации. Так,
вместо локализации серверов в отдельных территориально разнесенных пунктах обслу-
живающая компания может разместить их централизованно в главном офисе, из кото-
-. г: связь с региональными отделениями будет осуществляться по оптическим линиям,
позволит уменьшить расходы на оборудование и снизить издержки, связанные с
гтедачей служебной протокольной информации. В предположении, что скорость пе-
•епчи по сквозным соединениям примерно та же, что и в LAN, а расстояния имеют
_: мную величину, соответствуя, скажем, размерам города, а не всего земного шара,
: .кно ожидать, что снижение рабочих характеристик окажется весьма незначительным
скорее всего, незаметным для пользователей (см. рис. 1.4).

Линии с большой пропускной способностью, проложенные к помещениям абонен-
также открывают совершенно новые благоприятные возможности для заключения
2 нтрактов на специфические виды обслуживания. Вместо того чтобы нанимать отдель-
- ый персонал, в обязанности которого входило бы обеспечение хранения и резервиро-
2 2ния информации в центральном офисе компании, она может заключить соответству-
ющие договора на обслуживание с третьими сторонами. Для очень крупных компаний
-дкой вид услуг был и ранее доступен примерно за 100000 долларов в месяц. Новым
г.чементом здесь будет выступать цена подобного рода услуг, которая может составлять
2:риблизительно 50 долларов за 1 гигабайт в месяц.

Стиль работы обслуживающих компаний также претерпит не меньшие изменения.
Предоставление автоматически конфигурируемых оптических сетей позволит этим ком-
паниям предложить совершенно новые виды услуг, о которых выше говорилось. Гряду-
щие изменения обещают резко снизить расходы на создание инфраструктур для ISP и
компаний, которые покупают пропускную способность у непосредственных владельцев
и поставщиков каналов. Вместо того чтобы платить сразу за всю полосу пропускания
:ети, они смогут заказывать только нужную пропускную способность и притом на тот
период времени, который требуется — работа по графику, если хотите, но с оплатой
реально использованных ресурсов сети.

Резюме

Сети подразделяются на корпоративные (частные) сети, принадлежащие компани-
ям, и сети общего пользования, управляемые провайдерами.

В результате принятия в 1984 году закона, регулирующего деятельность в области свя-
зи, были созданы компании, обслуживающие междугородние линии, или линии инфор-
мационного обмена (Interexchange Carriers — IXC) и региональные телефонные компании
Bell (Regional Bell Operating Companies — RBOC). Вышедший в 1996 году Закон о теле-
коммуникациях создал конкуренцию компаниям RBOC и позволил пользователям выби-
рать поставщика местных услуг. Результатом этого явилось образование сложной группы
поставщиков, продавцов и покупателей пропускной способности каналов связи.

Internet и предназначенные для работы в этой сети приложения увеличили потреб-
ность в пропускной способности, предоставляемой по немедленному требованию с раз-
личным качеством обслуживания. Сочетание возросшей конкуренции и развитие Internet
явилось главным фактором, обусловившим пользовательские запросы на недорогие ка-
налы связи.
(Ь) Новая сетевая конфигурация с удаленными серверами

РИСУНОК 1.4

При традиционной организации сетей серверы располагаются в помещениях компаний (а). При
наличии подключенных к местным офисам оптоволоконных линий персонал, обслуживающий передачу
информации, и соответствующее оборудование могут быть централизованно размещены в одном
месте при сохранении существующего месторасположения клиентов (Ь), что позволит снизить
расходы, сохранив неизменной производительность сети.
Традиционные сети оптимизированы для передачи голосовых сообщений, а не циф-
ровой информации. Интеллектуальная оптическая сеть может в равной степени хорошо
справляться с передачей обоих типов данных. Она включает в себя сети дальней связи,
центральные и периферийные местные сети, а также соответствующие средства комму-
тации и маршрутизации.

Возможные варианты развертывания оптической сети можно условно отнести к од-
ному из пяти поколений ее развития. Для первого поколения характерно использова-
ние волоконно-оптические кабелей лишь для передачи ограниченного вида информа-
ции. ВторЪе поколение позволяет добиться повышенной производительности оптической
сети и характеризуется применением мультиплексирования с разделением длин волн.
Отличительной чертой третьего поколения является повсеместное внедрение инфра-
структур, основанных на использовании Internet-протокола. Сеть четвертого поколения
будет уже полностью основана на применении оптических элементов. И завершающий
этап ознаменуется разработкой оптических компьютеров.

Услуги, которые станут возможными с внедрением оптических сетей, можно разде-
пить на четыре основных типа. Службы виртуальных каналов смогут соединять между
собой офисы, к которым подведены волоконно-оптические кабели, путем выделения
временной полосы пропускания. Службы заказных услуг позволят обслуживающим ком-
паниям формировать пакеты из отдельных частей полосы пропускания с различными
показателями защиты, приоритета и скорости. Службы межсетевых LAN-LAN-соедине-
ний смогут предоставлять для этого потребителям высокоскоростные интерфейсы
Ehtemet 1 Гбит/с. Службы коммутации оптических сетей позволят обслуживающим ком-
паниям при необходимости затребовать расширенную полосу пропускания простым
звонком.
Глава 2

Основы связи

В этой главе ...

•	Пожалуйста, конверт

•	Эй, почтальон!

•	Коммутаторы, маршрутизаторы и все такое прочее

•	QoS и VLAN

•	Резюме

Ранее уже отмечалось, что компьютерная связь напоминает почтовую систему. Точно
так же, как почтовая служба разработала правила, согласно которым мы отправляем
почту, ученые и инженеры разработали соглашения относительно того, каким образом
компьютеры должны обмениваться информацией. Совокупность указанных правил рег-
ламентирует не только формат указания адреса, но и допустимый ассортимент «бумаги
для конвертов» или (в случае оптических сетей) выбор оптических каналов с требуе-
мыми характеристиками, применяемых для связи между компьютерами. Благодаря это-
му почтовую службу можно назвать «интеллектуальной» и способной принимать доволь-
но сложные решения относительно того, куда должно быть отправлено то или иное
письмо. То же самое можно сказать и о мире волоконной оптики.

Огромная разница между простой и интеллектуальной оптическими сетями заклю-
чается в том, что последняя — это не только совокупность волоконно-оптических кабе-
лей и коммутаторов, обеспечивающих прохождение света из одной точки в другую.
Интеллектуальная оптическая сеть включает в себя систему связи в целом — начиная
от приложений, которые в ней используются, и заканчивая усилительными устройства-
ми и проложенными под землей волоконно-оптическими кабелями. В эту сеть входит
оборудование для передачи оптических сигналов, а также мультиплексоры, маршрути-
заторы и коммутационные устройства, которые необходимы для создания собственно
телефонной или цифровой сети поверх передающего уровня. Несмотря на важную роль
самой аппаратуры, требуется огромное количество программного обеспечения для того,
чтобы оживить всю эту массу печатных плат и наделить ее хотя бы минимальной ин-
теллектуальностью.

Чтобы понять, как работает оптическая сеть, необходимо прежде всего получить об-
щее представление о том, как в компьютерных сетях осуществляется передача и обмен
информацией. После этого мы займемся детальным рассмотрением конструкции волокон-
но-оптических кабелей и их других свойств. Сложите все это вместе, и вы сможете по
достоинству оценить всю сложность и красоту сетей, использующих световые сигналы.
Пожалуйста, конверт

Порядок прохождения наших почтовых отправлений внутри почтовой системы ус-
танавливается определенными правилами или, если хотите, протоколами. В отсутствие
этих правил даже простое сообщение никогда бы не смогло дойти из одного конца го-
рода в другой, не говоря о стране. Эта совокупность правил, формирующая архитекту-
ру системы почтовой связи, поразительно напоминает правила, управляющие связью
между компьютерами. Компьютерная связь, подобно почтовой, основывается на про-
токолах, гарантирующих эффективную передачу сообщений. Несмотря на то что мно-
гие поставщики компьютерного оборудования определяли собственные архитектуры
связи, на сегодняшний день преобладающими являются две из них. Изучение обеих этих
архитектур мы начнем с рассмотрения того, как работает обычная почта. Это позволит
нам составить некоторое предварительное представление о работе всех компонентов
интеллектуальной оптической сети.

Предположим, вы пишете письмо, возможно — достаточно важное, деловому парт-
неру или любимому другу. Если это письмо имеет большую важность, не исключено,
что вы захотите зашифровать его. На конверте вы должны будете указать соответствую-
щие данные — имя получателя, название отдела и организации, в котором он/она рабо-
тает, город, штат, почтовый индекс и страну. Вы также должны сообщить, какой по-
чтой вы хотите отправить свое письмо — обычной или срочной, наклеив на него
соответствующую марку.

Подобные элементы информации являются нормой, которая принята в обществе при
отправке почты. Вместе взятые, они образуют свод почтовых правил, называемый на
компьютерном сленге «почтовой архитектурой», регламентирующих порядок отправки
писем. В компьютерной связи имеются аналогичные, если не сказать — такие же нор-
ны. На сегодняшний день существуют две общепризнанные модели того; как компью-
теры, изготовленные различными производителями, могут сообщаться между собой.
Модель, признанная официальной, которая называется Международной стандартной
эталонной моделью взаимодействия открытых систем (Open Systems Interconnection, или
OSI), была определена Международной организацией по стандартизации (International
Organization for Standardization, или ISO) еще в начале 80-х годов прошлого столетия. (Пе-
рестановка букв в сокращении соответствует порядку слов при произношении названия
этой организации на французском языке1.) Роль неофициальной модели играет Прото-
кол управления передачей данных/ШегпеЬпротокол, или TCP/IP (Transmission Control
Protocol/Internet Protocol).

Обе модели основаны на том, что компьютерная связь может быть подразделена на
несколько дискретных уровней. Благодаря этому достигается чрезвычайно большая гиб-
кость модели, поскольку изменение одного уровня не влияет на остальные. Иными сло-
вами, изменение стоимости марки не влияет на способ написания адреса на конверте.

Вполне возможно, что все это вам кажется вполне очевидным. Но до тех пор, пока
эти архитектуры не получили широкого признания, связь между компьютерами осуще-
ствлялась в соответствии с различными частными наборами правил установления соеди-

Здесь автор не точен. Парижская международная организация стандартов (Paris-based International Standards
Organization) и Международная организация по стандартизации - это две разные организации. Однако, аббреви-
атура в действительности связана с именем французской организации. Просто так принято. (Прим. науч, ред.)
нения, что делало обновление отдельных частей архитектуры весьма трудной задачей.
Каждый изготовитель мэйнфрейма (большой универсальной вычислительной машины)
или миникомпьютера подобно феодалу владел собственной вотчиной и самостоятельно
устанавливал правила, определяющие порядок обмена данными между компьютерами
выпускаемых им моделей. Уместным здесь будет сравнение межофисной почтовой сис-
темы с обычной почтой: будучи весьма эффективной при рассылке сообщений внутри
компании, она становится совершенно бесполезной в случае возникновения необходи-
мости доставить почту стороннему адресату.

Архитектуры моделей OSI и протокола TCP/IP явились основой для разрушения этих
перегородок. Они во многом следовали развитию персональных компьютеров (PC) вооб-
ще. Теперь поставщики могли специализироваться на каких-то отдельных компонентах —
микросхемах памяти, процессорах или жестких дисках в случае PC или на различных связ-
ных компонентах в случае архитектур OSI и TCP/IP. Наличие вполне определенного
набора правил означало, что компоненты от различных поставщиков смогут сообщаться
между собой, что предоставляло поставщикам свободу специализации и совершенствова-
ния выпускаемых связных компонентов по мере необходимости. Разумеется, в действи-
тельности не все было так гладко. Проблемы взаимной совместимости и сегодня играют
важную роль в коммуникациях. Однако этот сдвиг в мышлении действительно дал воз-
можность создавать компьютерные сети, построенные с использованием оборудования от
различных поставщиков, и позволил таким начинающим компаниям, как Cisco, пошат-
нуть незыблемые доселе позиции IBM и DEC в области связи.

Детали архитектуры

Обе архитектуры разительно похожи друг на друга при незначительной большей слож-
ности модели OSI. В частности, модель OSI включает семь уровней. В самом низу нахо-
дится физический уровень (Physical layer) (уровень 1), над которым последовательно
располагаются канальный уровень (Data Link layer) (уровень 2), сетевой уровень (Network
layer) (уровень 3), транспортный уровень (Transport layer) (уровень 4), сеансовый уро-
вень (Session layer) (уровень 5), уровень представления данных (Presentation layer) (уро-
вень 6) и прикладной уровень (Application layer) (уровень 7). Обычно оптические сети
охватывают три нижних уровня.

Архитектура TCP/IP является почти такой же за исключением двух моментов: физи-
ческий уровень внизу отсутствует, а канальный уровень (Data Link layer) называется
уровнем звена (Link layer). В верхней части протокол TCP/IP объединяет прикладной
уровень, уровень представления данных и сеансовый уровень в один прикладной уро-
вень. Архитектура обеих моделей представлена в табл. 2.1 вместе с описанием соответ-
ствующих функций и видами продуктов, которые охватываются каждой категорией2.

2 Это некорректное сравнение, так как TCP и IP являются протоколами соответственно межхостового и ин-
тернет уровней модели DoD (Department of Defense - Министерство обороны США). (Прим. науч, ред.)
Таблица 2.1 Модели связи			
Модель TCP/IP	Модель OSI	Функции	Примерные продукты
4. Прикладной уровень	7. Прикладной уровень	Предоставление сетевых услуг для доступа к среде OSI	Протокол передачи файлов (FTP) и управление сетью
	6. Уровень представления данных	Предоставление услуг для преобразования форматов представления данных между взаимодействующими процессами и приложениями	Шифрование (кодирование) и сжатие текстов
	5. Сеансовый уровень	Обеспечение сеансов взаимодействия между приложениями	Программное обеспечение для обслуживания сокетов
3. Транспортный уровень	4. Транспортный уровень	Повышение надежности передачи данных путем реализации механизма получения подтверждений о доставке дейтаграмм	Программное обеспечение протокола TCP
2. Сетевой уровень	3. Сетевой уровень	Скрытие деталей организации связи на нижних уровнях от верхних уровней. Адресация узлов и маршрутизация пакетов	Маршрутизаторы, программное обеспечение  Internet-протокола (IP)
1. Уровень звена	2. Канальный уровень	Обеспечение взаимодействия между компьютерами и надежности передачи информации внутри рабочей группы	Платы Ethernet, уровня 2 коммутирующие устройства
	1. Физический уровень	Фактическая передача	Кабеля, оптические и •  битовых данных по проводам волокна, коммутирующие или оптическим волокнам — усилительные устройства регламентирование напряжений, частот и длин волн	

Описанные уровни архитектур OSI и TCP/IP в общих чертах коррелируют с согла-
шениями, которыми мы пользуемся при посылке писем по почте. Физический уровень
отвечает за круг вопросов того же примерно назначения, что и при отсылке обычной
почты — куда должны быть помещены письма, чтобы их подобрали, какой язык следу-
ет использовать для надписей на конверте, форму и размеры конвертов и т.д. В случае
оптических сетей физический уровень описывает характеристики оптических волокон,
усилителей и других устройств, с помощью которых осуществляется взаимодействие ком-
пьютерного оборудования. Этот уровень также определяет порядок передачи физичес-
ких сигналов по сети.

Канальный уровень выполняет работу, аналогичную работе почтальонов, которые
осуществляют сбор и доставку почты. Они определяют, как часто наша почта доставля-
ется и извлекается из почтовых ящиков, а также пакеты какого размера принимается
или не принимается к обслуживанию. Этот конкретный «алгоритм» можно соотнести с
определенным решением канального уровня, называемым мультиплексированием с раз*
делением времени (time-division multiplexing -TDM), с которым мы ближе познакомим-
ся несколько позже, но основная концепция управления доступом к локальной сети и
обеспечения его надежности является общей для всех канальных уровней. К другим
типам протоколов канального уровня, которые мы изучим, относятся протокол Ethernet
и протокол асинхронной передачи, или ATM (Asynchronous Transfer Mode).

Если говорить более конкретно, то канальный уровень имеет два подуровня — уро-
вень управления доступом к среде, или MAC (Media Access Control), и уровень управле-
ния логическим каналом, или LLC (Logical Link Control). Подуровень LLC отвечает за
включение определенных порций данных вместе с другими аналогичными данными в
состав блоков данных, или пакетов3, которые можно было бы назвать сетевым эквива-
лентом почтовых конвертов.

Подуровень МАС определяет, как и когда компьютер может передавать эти пакеты
по волоконно-оптическим кабелям и обеспечивает надежную связь в пределах локаль-
ной сети. Если воспользоваться нашей аналогией, то подуровень МАС действует подоб-
но почтальону, который забирает почту по одному местному адресу и доставляет ее
другому местному адресату без захода в почтовое отделение. К числу типов устройств,
ориентированных на использование протокола МАС, относятся сетевые адаптеры, че-
рез которые PC и другие устройства подключаются к сети, а также коммутирующие
устройства уровня 2, обеспечивающие взаимодействие сетей между собой.

Т^гСеФФУ УРАЛОСЬ РАСКРЫТЬ СбКреТ СЛврУЮКЛсГО ТГОКОЛеНиЯ
оптических сетей - гпультиПлексцроВАние
с РАЗрелениет почтальонов

3 В индустрии сетей термины «пакет» (packet) и «кадр» (frame) обычно используются как эквивалентные. В дан-
ной книге термин «пакеты» мы будем применять по отношению к данным, передаваемым по сетям с разделяемой
средой (shared media networks), например Ethernet, а термин «кадры» — к пакетам данных, используемым в сетях
SONET и SDH, а также в сетях ретрансляции кадров
Сетевой уровень обеспечивает межсетевой обмен. Именно сюда доставляется вся
нелокальная почта. Вероятно, наиболее известным протоколом межсетевого обмена на
сегодняшний день является IP (как в TCP/IP), хотя все еще существуют и более старые
протоколы, включая IPX (использовавшийся в ранних сетях NetWare). К устройствам,
которые используют сетевые протоколы, относятся маршрутизаторы, которые позднее
мы рассмотрим более подробно.

Транспортный уровень обеспечивает точность передачи информации между почто-
выми отделениями, т.е. точность обмена информацией между сетями. Если происходит
потеря каких-либо данных или почты, транспортный уровень отвечает за исправление
этих ошибок. Протоколом транспортного уровня является TCP.

После прибытия почты к нужному жилищу или зданию, она должна быть доставле-
на соответствующему индивидууму внутри здания. То же самое происходит и при ком-
пьютерной связи: данные должны быть пересланы соответствующему процессу внутри
компьютера. За это отвечает сеансовый уровень.

Но и это еще не все. Прибывающие в конвертах письма могут обладать некоторыми
особыми свойствами. Может оказаться так, что часть из них для большей безопасности
написана невидимыми чернилами. Письма могут быть написаны на бумаге различного
типа с выделением участков текста различными цветами. Подобные вопросы являются
парафией уровня представления данных, который обеспечивает необходимый спектр
услуг, например расшифровку, улучшающих возможности связи между различными
приложениями.

Наконец, люди должны иметь возможность прочитать письма, которые они получи-
ли. Возможно, они нуждаются в некоторых инструкциях или им необходимо предоста-
вить для этого некое приложение. Различные услуги подобного рода обеспечивает при-
кладной уровень, который, если говорить о компьютерах, предлагает интерфейсы для
приложений рабочего стола, открывающие доступ к различным уровням среды OSI или
TCP/IP (см. рис. 2.1).

сообщений в письме	конвертов

РИСУНОК 2.1

Иллюстрация модели OSI на примере письма.
Биты и байты

Подготовку сообщения к посылке мы начинаем с имен и текста, образующих адрес.
Затем мы размещаем эту информацию на носителе, получение которого ни у кого не
вызовет проблем, — пишем нужный текст на конверте. Текст должен быть на английском
языке и содержать определенную ключевую информацию, необходимую для доставки
сообщения: имя индивидуума, его/ее местонахождение, а также адрес и местонахожде-
ние отправителя и подтверждение внесения необходимой платы за почтовые услуги.

В этом смысле связь с помощью оптических сетей ничем не отличается. В этом слу-
чае также требуется обеспечить надлежащую адресацию соответствующих конвертов —
пакетов данных. При этом, однако, письма не составлены из букв и цифр, а образова-
ны сложными последовательностями оптических импульсов, называемых битами.
Каждый бит, находясь во включенном или выключенном состоянии, представляет со-
ответственно единицу или нуль. Будучи сгруппированными в наборы, каждый из кото-
рых включает восемь бит, эти биты представляют дискретные кусочки информации, если
хотите — символы, называемые байтами. В действительности в некоторых сетях и ком-
пьютерных системах используются байты, содержащие по десять бит, и для того чтобы
отличить восьмибитовые байты от остальных их часто называют октетами.

Аналогично тому, как мы выписываем цифры почтового индекса с помощью имею-
щегося на конверте трафарета, биты также кодируются определенным способом, чтобы
компьютеры в сети могли понять, что они означают. В современных оптических сетях,
а по этой причине и в компьютерных сетях вообще, используется цифровая связь, в
которой биты пересылаются в виде электрических импульсов или, как в рассматрива-
емом нами случае, в виде световых импульсов. Кроме того, не все виды связи являются
цифровыми. Так, например, голосовая связь является аналоговой (см. раздел «Сравне-
ние цифровой и аналоговой связи»).

Сравнение цифровой и
аналоговой связи

В современных оптических сетях может ис-
пользоваться цифровая связь, но традиционная
телефонная система является аналоговой. Разли-
чие между ними заключается в форме сигналов.
Высота, или уровень, аналоговых сигналов, не-
прерывно изменяется. В то же время, цифровым
сигналам соответствуют только состояния «вклю-
чено» и «выключено» (см. рис. 2.2).

Каждый из этих видов связи имеет свои пре-
имущества. Аналоговая связь основана на тех же
принципах, в соответствии с которыми сигналы
воспринимаются человеческим глазом и ухом.
Поэтому создание аналоговых передающих и при-
емных устройств, предназначенных для доставки
информации нашим органам зрения и слуха, было
легче осуществить в сочетании с аналоговыми
видами связи.

Цифровая связь

Аналоговая связь

РИСУНОК 2.2

Виды связи.
В то же время, цифровые сигналы легче обрабатывать электронными средствами. Об-
наружить наличие или отсутствие сигнала гораздо легче, чем расшифровать непрерыв-
но изменяющийся аналоговый сигнал. Аналоговые сигналы могут быть легко запорче-
ны шумами или искажениями в линии. То же самое может происходить и с цифровыми
сигналами, однако в меньшей степени, благодаря чему цифровые сигналы обычно на-
много чище своих аналоговых собратьев.

То, какой именно вид придается «письмам» для передачи по цифровой сети, опре-
деляется применяемой схемой кодирования. Так, в ранних информационных сетях, рабо-
тающих по протоколу Ethernet, использовалось Манчестерское кодирование, в котором
единицы и нули представляются изменением уровня сигнала в середине бита. В высо-
коскоростных версиях Ethernet типа Gigabit и 10 Gigabit Ethernet используется схема 8В/
10В, в соответствии с которой свойственные компьютерам 8-битовые байты для пере-
дачи по оптическому волокну преобразуются в 10-битовые. Такое преобразование дает
возможность упаковать в сигнал дополнительную информацию и позволяет легче до-
биться повышения чистоты сигнала, что важно для его правильной интерпретации в
пунктах приема.

Количество битов, которые можно передать по оптическому или электрическому
каналу связи, называют полосой пропускания (bandwidth) канала. В действительности этот
термин имеет двоякое толкование. Первоначально полосой пропускания характеризо-
вали ширину участка электромагнитного спектра, используемого для передачи. Ethernet,
например, использует полосу пропускания 20 МГц (произносится «мега-герц») для пе-
редачи сигналов со скоростью 10 Мбит/с (см. раздел «Что такое йота?»). Однако сегод-
ня специалисты в области связи применяют его и для обозначения пропускной способно-
сти (carrying capacity) канала.

Что такое йота?

Нет, это не мастер Джедай из прославленного фильма «Звездные войны». Йота-, пета-,
кило-, мега- и целый сонм других префиксов входят в стандартную метрическую номен-
клатуру Международной системы единиц (СИ) и используются в качестве сокращеий для
выражения умопомрачительно больших (или маленьких) чисел. Дело еще более осложня-
ется тем, что при совместном использовании с единицами времени (например, герц в се-
кунду или мегабит в секунду) они представляют степени 10, а в качестве меры объема ком-
пьютерных данных мегабайты удобнее представлять их в виде степеней 2.

Ниже приводится послужной список Йоты и ее друзей:

Частота

1 килогерц (КГц)	одна тысяча	10001	103
1 мегагерц (МГц)	один миллион	10002	10е
1 гигагерц (ГГц)	один миллиард	10003	109
1 терагерц (ТГц)	один триллион	10004	1012
1 петагерц (ПГц)	один квадрильон	10005	1015
1 эксагерц (ЭГц)	один квинтильон	10006	1018
1 зетагерц (3Гц)	один секстильон	юоо7	1021
1 йотагерц (ИГц)	один септильон	10008	1024
		
Объем данных		
1 килобайт	1024 байт	2W
1 мегабайт	10242 байт	220
1 гигабайт	10243 байт	2зо
1 терабайт	1024* байт	240
1 петабайт	10245 байт	250
1 эксабайт	10246 байт	260
1 зетабайт	10247 байт	270
1 йотабайт	10248 байт	280

Длины волн, применяемых в системах оптической связи, находятся у другого конца
шкалы и исчисляются величинами, значительно меньшими метра. Ниже приведены со-
ответствующие единицы измерения:

Единица измерения	Обозначение	Значение	Значение (по основанию 10)
1 дециметр	d	одна десятая	ю-1
1 сантиметр	с	одна сотая	ю-2
1 миллиметр	m	одна тысячная	ю-3
1 микрон	Р	одна миллионная	10-®
1 нанометр	п	одна миллиардная	10-9
1 пикометр	Р	одна триллионная	10-12
1 фемтометр	f	одна квадрильонная	10-15

Истинные масштабы этих чисел трудно поддаются непосредственному восприятию.
Для сравнения ниже приведены некоторые практические примеры: *

Пикометр — боровский радиус атома водорода в основном состоянии (106 рм)

Нанометр — размер вируса (приблизительно 100 нм)

Микрон — размер бактерии (приблизительно 2ц)

Миллиметр — немного меньше размера дождевой капли (приблизительно 1,5 mm)

Километр — немного больше удвоенной высоты небоскреба Эмпайр стэйт билдинг
(449 m)

Мегаметр — одна треть расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком (3,94 Мт)
или одна треть диаметра Луны (3,48 Мт)

Гигаметр — приблизительный диаметр Солнца (1,39 Gm)

Зетаметр — диаметр Галактики

Йотаметр — радиус видимой Вселенной составляет 100-200 йотаметров

* Более подробную информацию относительно масштабов этих и других единиц измерения
можно найти по адресу http://www.alcyone.com/max/physics/orders/metre.html.

Соотношение между шириной спектрального участка и пропускной способностью
определяется в соответствии с правилом, известным под названием теоремы Шэннона.
Эта теорема гласит, что пропускная способность канала обратно пропорциональна ко-
личеству шумов в канале. Со свойствами волн, и в частности с понятием частоты, вы
ближе познакомитесь при изучении света в главе 3, однако наиболее любознательные
читатели могут уже сейчас узнать больше о теореме Шэннона от профессора Чока (см.
ниже «Комментарии доктора Чока по поводу теоремы Шэннона»).

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ТЕОРЕМЫ ШЭННОНА

В книгах, посвященных оптическим сетям, для объяснения различных
понятий часто прибегают к математике _и не зря! Математика является великолепным и

точным языком, который позволяет в сжатой и ясной форме описывать очень сложные
понятия. К сожалению, если ваше владение математикой нельзя назвать свободным, то

никакие формулы вам не помогут.

По этой причине в изложении основного материала данной книги вы не встретите фор-
мул. Те из них, для понимания которых достаточно элементарного знания тригонометрии
или алгебры, вынесены в отдельные вставки, на которых профессор Чок объяснит вам
математические понятия.

А теперь вернемся к нашей теме. Безгранична ли пропускная способность волоконно-
оптических линий? Ну, не совсем так, однако она гораздо больше, чем мы можем ис-
пользовать на сегодняшний день. При определении возможной пропускной способности
системы для расчетов привлекают теорему Шэннона, названную так по имени математи-
ка Клода Шэннона (Claud Shannon) из компании AT&T. Шэннон постулировал, что пропус-
кная способность канала будет продолжать расти до тех пор, пока увеличивается мощ-
ность сигнала. Так происходит потому, что мощность сигнала непрерывно увеличивается
по сравнению с мощностью шумов.

Из теории Шэннона следует, что пропускная способность равна W * log2(1+s/n), где W7-
ширина частотного канала, a s/n — отношение сигнал/шум, или «объем» сигнала по от-
ношению к количеству помех.

Для оптических волокон типичная величина отношения сигнал/шум составляет 20 дб, или
s/n =2.0. Насколько это много? Децибелы (дб) будут рассмотрены нами более подроб-
но в главе 4, а сейчас достаточно знать лишь то, что чем меньше количество децибелов,
тем интенсивнее импульсы, или, если обратиться к акустике, громче звук. Если пользо-
ваться человеческими, хотя и ненаучными, мерками, то диапазону нормального прослу-
шивания музыки соответствует интервал значений указанного отношения от 34 до 28 дб,
причем звук с показателем 25 дб воспринимается как громкий, а при более низких зна-
чениях — как очень громкий. Конечно, эти значения носят чисто субъективный характер и
для каждого человека они различны, но они дают какое-то приблизительное представле-
ние и порядках величин.

Итак, для канала шириной, скажем, 20 гигагерц пропускная способность должна состав-
лять: 20 ГГц * log2(1+2) = 20 * 1.6 = 32 Гбит/с. При этом, однако, предполагается, что
для кодирования битов информации система использует простое переключение состоя-
ний включено/выключено.

Если использовать более сложные алгоритмы, то для участка спектра той же ширины
удастся закодировать больше битов, приближаясь к полной пропускной способности ка-
нала. Насколько она велика? Как показывают результаты недавних исследований, прове-
денных сотрудниками компании Bell Labs, для волоконной оптики предельной величиной
является 3 бит/Гц, что приводит к величине суммарной пропускной способности, равной
150 терабит/с на один светопровод. Для сравнения можно указать, что пропускная спо-
собность промышленных каналов передачи на сегодняшний день составляет только 2 Тбит/
с, а в лабораторных условиях—10 Тбит/с. Так безгранична ли пропускная способность
волоконно-оптических кабелей? Вероятно, нет, но в обозримом будущем предел, по-ви-
димому не будет достигнут.
Топологии сетей

После того как биты закодированы, они посылаются по волоконно-оптическому
кабелю. При построении современных волоконно-оптических, сетей в основном исполь-
зуют три различные топологии: двухточечную (point-to-point links -точка-точка), звез-
дообразную (hubs) и кольцевую (rings).

Двухточечные сети являются простейшим типом соединений, в которых информа-
ция посылается непосредственно от одной станции к другой. Такие топологии могут быть
легко реализованы, но они не очень надежны. Одного обрыва кабеля будет достаточно
для того, чтобы соединение оказалось разорванным (см. рис. 2.3).

РИСУНОК 2.3

Двухточечное соединение.

В звездообразных топологиях несколько двухточечных соединений образуются с
помощью центрального устройства, в качестве которого могут выступать мультиплек-
сор (multiplexor), коммутатор (switch) или концентратор (hub(cM. рис. 2.4). При соеди-
нении звездообразных сетей между собой они образуют некие разновидности ячеистых
сетей (meshed network) (см. рис. 2.5), которые характеризуются исключительной отка-
зоустойчивостью и высокой производительностью.

РИСУНОК 2.5

Ячеистая сеть.
Кольцевые топологии являются компромиссным вариантом (см. рис. 2.6). Они на-
дежнее двухточечных соединений и требуют меньшего количества погонных метров
волоконно-оптического кабеля по сравнению с звездообразными сетями. Кольцевые сети
часто строят в виде концентрических колец с тем, чтобы в случае отказа одного из них
поток данных можно было направить по резервному (см. рис. 2.7 и раздел «Защита
SONET» в главе 7).

РИСУНОК 2.6

Кольцевая сеть.

РИСУНОК 2.7

Сеть с топологией двойного кольца.

Эй, почтальон!

Мы многое узнали о механике доставки конвертов к адресатам. Настало время об-
ратиться к рассмотрению того, что составляет ее суть, а именно — канального уровня.
Существует два основных компонента, благодаря которым сообщение проходит по ком-
пьютерной сети или почтовой системе. Ими являются механизм доставки — «почталь-
он», если хотите, который осуществляет транспортировку сообщения, и механизм адре-
сации, указывающий в какой пункт сети сообщение высылается.

Существует три основных модели, в рамках которых определяются используемые
форматы адресации и способ функционирования упомянутого «почтальона». Самым
простым для понимания является, пожалуй, мультиплексирование с разделением длин
волн (wave-division multiplexing — WDM), которое также называют мультиплексирова-
нием с разделением частот (frequency-division multiplexing), применяемое в мире анало-
говой связи. В модели WDM сеть рассматривается как последовательность двухточеч-
ных соединений, и передача по ней различных сигналов осуществляется с
использованием различных длин волн. Эти сигналы попадают в мультиплексор с разде-
лением волн или частот, в котором они смешиваются и все вместе направляются по
единственному кабелю (см. рис. 2.8).

Если провести аналогию, то WDM напоминает ситуацию, в которой к каждому дому
приписан отдельный почтальон, — эффективно, но очень дорого, и кроме того при боль-
шом количестве почтальонов интенсивность их движения возрастет и они будут препят-
ствовать друг другу. То же самое происходит и в сети WDM. Доступным для сети ока-
зывается лишь некоторое число каналов, при превышении которого они начнут создавать
взаимные помехи.

Начиная с некоторого момента должно быть реализовано разделение полосы про-
пускания между каналами. Здесь вступает в игру мультиплексирование с разделением
времени (time-division multiplexing — TDM). При использовании TDM каждая станция
посылает информацию в заданном интервале времени. Этот интервал может устанавли-
ваться либо однократно, с резервированием временных промежутков для сетей между
двумя устройствами, либо динамически. Информация, передаваемая на протяжении
указанного интервала времени, организуется в кадры и содержит адрес пункта назначе-
ния. Мультиплексор объединяет, т.е. мультиплексирует сигналы и направляет смешан-
ный сигнал в одну линию связи. Разделенные во времени посылки в конечном счете
поступают на коммутатор, который считывает информацию в кадре и решает куда дол-
жна быть направлена каждая посылка (см. рис. 2.9).

ш

Мультиплексоры -►

Одиночный
кабель

ш

ш
1Ш

РИСУНОК 2.8

Мультиплексирование с разделением волн (частот).

Отдельные	Одиночный	Отдельные

волоконно-оптические	волоконно-оптический	волоконно-оптические

кабеля	кабель	кабеля

РИСУНОК 2.9

Мультиплексирование с разделением времени.



Технологии TDM, в частности SONET, широко используются сегодня в сетях обще-
го пользования. Эта технология оказывается в высшей степени эффективной при пере-
даче голосового трафика, требования которого к полосе пропускания весьма постоян-
ны и который нуждается в постоянном, прогнозируемом доступе к сети. Представьте
себе TDM как почтальона, который ежедневно обходит множество домов, для каждого
из которых время посещения и время пребывания в нем заранее установлены. Такая
схема работает хорошо в том случае, если количество ежедневной почты, предназначен-
ной для каждого из домов, всегда остается примерно одним и тем же. Однако если в
один день в дом должна быть доставлена целая груда почты, а в другой день — ничего,
или же в один день туда должны быть доставлены письма, а в другой — большие, тяже-
лые ящики, то почтальон не сможет использовать свои ресурсы должным образом.

К третьей категории относятся различные виды статистического мультиплексирова-
ния, которые часто встречаются в корпоративных сетях. При статистическом мульти-
плексировании узлы сети действуют согласно алгоритмам, которые пытаются предви-
деть запросы трафика для каждого устройства. Поток данных проходит по сети, где они
считывается каким-либо устройством, т.е. извлекается из сети.

Имеется множество вариантов статистического мультиплексирования, поэтому трудно
сделать какие-либо простые обобщения, не обращаясь к конкретным алгоритмам. В
существующих на сегодняшний день сетях наиболее заметны, пожалуй, две технологии
статистического мультиплексирования — Ethernet и ATM.

Ethernet

22 мая 1973 двумя учеными, Робертом Меткальфом (Robert Metcalf) и Дэвидом Бог-
гсом (David Boggs) из исследовательского центра Xerox в Пало Альто (Palo Alto Research
Center — PARC) была составлена служебная записка, содержащая описание изобретен-
ной ими сети. Эта сеть предназначалась для подключения к компьютеру Alto, который
по тем временам был замечательной вычислительной машиной, оборудованной мышью,
растровым дисплеем и съемными дисками — устройствами, которые PC предложат
пользователям лишь 15 лет спустя.

Вполне возможно, что компьютера Alto давно уже нет, однако сеть, на разработку
которой он вдохновил ученых, изменила мир передачи данных. Названный «Ethernet»
от слова «эфир» (ether), обозначающего воображаемую газообразную субстанцию, кото-
рая, согласно воззрениям ученых 19-го столетия, делала возможным распространение
электромагнитных волн по воздуху, этот протокол de facto стал стандартом для органи-
зации связи между компьютерами в офисах.

Первоначальная спецификация Ethernet напоминала, если воспользоваться нашими
аналогиями, организацию почтовой связи, при которой каждый дом имеет своего по-
чтальона, транспортирующего переписку по мере необходимости. Однако на всех по-
чтальонов имеется всего один автомобиль, так что каждый раз лишь только один из них
имеет возможность проехать к почтовому отделению. Чтобы избежать взаимных обви-
нений, на использование автомобиля можно наложить некоторые ограничения. Если
говорить техническим языком, то каждое здание или узел подключается к сети коакси-
альным кабелем и ему приписывается адрес Ethernet. Узлы «слушают» линию и, если
она молчит, передают свои пакеты со скоростью 10 Мбит/с. Размер каждого из этих
пакетов, играющих роль конвертов, составляет 1526 байт, куда входит заголовок дли-
ной 26 байт, содержащий служебную информацию Ethernet (адрес источника, адрес на-
значения и дополнительная информация по кадровой синхронизации) и 1500 байт по-
лезной информации, или полезной нагрузки (payload). Далее этот пакет доходит до пункта
назначения, где извлекается из сети.
Проблемы Ethernet

В обычных условиях эта идея прекрасно работает, но с ростом требований к ресур-
сам начинают неожиданно возникать всевозможные проблемы. Если два дома одновре-
менно высылают своих почтальонов, возникает конфликтная ситуация, для разрешения
которой должна быть предусмотрена какая-то схема. Довольно легко реализовать сле-
дующее решение — пусть каждый из почтальонов выждет некоторое время, определяе-
мое по случайному закону, после чего повторит попытку. В терминологии Ethernet это
называется множественным доступом с контролем несущей и обнаружением столкнове-
ний, или CSMA/CD (Collision Sense Multiple Access with Collision Detection). Если обе
станции начинают передачу одновременно, то CSMA/CD регистрирует конфликтную
ситуацию; обе станции прекращают передачу и могут попытаться возобновить ее по
истечении случайного промежутка времени.

Но что будет в случае, если имеется множество домов или узлов? Число конфликтов
резко возрастет, а производительность сети резко снизится. Первоначальная система
Ethernet столкнулась с тем, что при добавлении в сеть новых станций производительность
из расчета на одну станцию снижалась до 3 Мбит/с и менее, хотя ожидаемая величина
составляла 8 Мбит/с (теоретически возможная максимальная величина 10 Мбит/с не мо-
жет быть реализована из-за наличия заголовков и в силу других подобных причин).

Характерными для сетей Ethernet были и другие проблемы. Ethernet хорошо подходит
для пересылки обычной почты небольшого объема, однако в случае специальных видов
почты картина совершенно иная. Обычная почтовая служба, например, не совсем при-
способлена для пересылки срочных сообщений или почтовых отправлений, требующих
особой обработки. То же самое справедливо и по отношению к Ethernet. Если в трафике
участвуют обычные корпоративные данные, такие как электронная почта, для которых
условия трафика не играют особой роли, сеть Ethernet прекрасно справляется со своими
задачами. Совсем другое дело — высокоприоритетный трафик. Никакими внутренними
средствами нельзя добиться того, чтобы высокоприоритетный трафик доставлялся сколь-
ко-нибудь быстрее любого другого. Также и трафик, требующий специальной обработки,
будет обслуживаться ничем не лучше любого другого. Да и для оставленных в Ethernet на
произвол судьбы голосовых сообщений, требующих гарантированного, прогнозируемого
доступа к сети, наступили бы не лучшие времена. Как мы позже увидим, хотя для сгла-
живания этих проблем и были разработаны различные схемы качества услуг (Quality of
Service, или QoS), но основные трудности по-прежнему остаются.

Сегодняшний Ethernet многим отличается от исходной версии, но существенная часть
его первоначального протокола продолжает действовать. Форматирование базового па-
кета Ethernet в основном сохранилось прежним, но разводка соединений и производи-
тельность подверглись значительному улучшению. Наиболее распространенный на се-
годняшний день тип Ethernet — 10Base-T — по-прежнему работает со скоростью
10 Мбит/с, однако допустимая длина одного отрезка линии в случае неэкранирован-
ной витой пары (unshielded twisted pair — UTP) достигла уже 100 м. A Ethernet lOOBase-
Т при работе через UTP длиной 100 м обеспечивает скорость передачи — попробуйте уга-
дать! — 100 Мбит/с. Еще более высокая производительность возможна с 1000Base-T,
обеспечивающей скорость передачи — вот это уж действительно круто! — 1000 Мбит/с
или 1 Гбит/с при работе через волоконно-оптическую линию длиной с пару километров.
Gigabit Ethernet — ведущее направление, которое позволит компаниям получать доступ
к сети общего пользования. Наконец, Ethernet производительностью 10 Гбит/с в насто-
ящее время принят в качестве основы для расширения региональных сетей общего
пользования (metro core networks) (см. рис. 2.10).

Обозначения
------- 10 Мбит/с Ethernet

100 Мбит/с Ethernet
1 Гбит/с Ethernet
10 Гбит/с Ethernet

Сервер рабочей	PC Маршрутизатор Ethernet-коммутатор

групппы	центральной сети

РИСУНОК 2.10

Мир Ethernet.
ATM

ATM (Asynchronous Transfer Mode — асинхронный режим передачи) занимает неко-
торое промежуточное положение между Ethernet с его изменчивой природой и четко
определенными схемами TDM. Первоначально предложенный в конце 70-х годов про-
шлого столетия Жан-Пьером Кудре (Jean-Pierre Coudrese) и инженерной группой из
CNET — исследовательской ветви France Telecom, ATM рассматривался в качестве сред-
ства, способного предоставить Франции путь к быстрому развертыванию собственной
сети кабельного телевидения. Он стал протоколом, который соединил мир голосовых
сообщений с миром цифровых данных.

Исключительные позиции ATM главным образом обусловлены использованием в нем
пакетов, или ячеек, фиксированной длины 53 байта (5 байт заголовка и 48 байт данных).
Отказавшись от использования свойственных Ethernet пакетов переменной длины, ATM
смог избавиться от искажений, связанных с неравномерностью задержек (jitter — дро-
жание), и свел к минимуму величину самих задержек, позволяя протоколу обеспечи-
вать службу в прогнозируемом объеме, что очень важно для трафика, требующего пере-
дачи данных в реальном масштабе времени, как при передаче звука и видео.

По своей структуре ATM значительно отличается от Ethernet. Во-первых, этот про-
токол основан на коммутируемой архитектуре — каждый узел соединен с сетью, обра-
зуемой коммутаторами, которая быстро соединяет различные устройства. Ячейки посту-
пают на коммутаторы, где осуществляется считывание их идентификаторов виртуального
пути (Virtual Path Identifier — VPI) и идентификаторов виртуального канала (Virtual
Channel Identifier — VCI), и после просмотра базы данных, или таблицы, они по соот-
ветствующим каналам направляются в порты назначения.

Более того, ATM является протоколом, ориентированным на установление соединения
(connection-oriented). Это означает, что прежде чем данные начнут передаваться, между
двумя точками должно быть установлено соединение через сеть. В противоположность
этому, Ethernet работает без установления соединения; данные в этом случае передаются
немедленно и сеть сама вычисляет, как доставить пакеты к пункту назначения.

Вообще говоря, в ATM возможны два типа соединения — виртуальный канал (Virtual
Circuit — VC) и виртуальный путь (Virtual Path — VP). С помощью виртуальных кана-
лов осуществляется обмен небольшими объемами данных, обычно между отдельными
узлами, и для их указания используются идентификаторы VCI ячеек. Коммутируемые
виртуальные каналы (Switched VC — SVC) создаются и разрываются динамически по мере
необходимости. Постоянные виртуальные каналы (Permanent VC — PVC) — фиксирова-
ны. До недавнего времени провайдеры службы асинхронного режима передачи обычно
предлагали только PVC, в то время как SVC начали широко применяться лишь на про-
тяжении последних нескольких лет.

Виртуальные пути включают в себя по нескольку тысяч виртуальных каналов и ус-
танавливаются между крупными единицами, например между отдельными организаци-
ями или городами. Для указания виртуальных путей используются идентификаторы VPI
ячеек. Одно из больших преимуществ VP связано с масштабом системы. Необходимость
коммутирования сотен VP вместо миллионов VC создает для провайдеров лучшие усло-
вия масштабирования сети. Кроме того, после установления между пунктами виртуаль-
ного пути развернуть виртуальные каналы становится гораздо легче.
VC можно также характеризовать типом трафика, который по ним передается. При
- гстоянной скорости передачи битов (constant bit rate — CBR) доступность сети для ячеек
• гсьма прогнозируема — как раз то, что требуется для передачи звука и видео. Пере-
енная скорость передачи битов (variable bit rate — VBR) хорошо приспособлена для
ередачи корпоративных данных, характеризующихся неравномерным трафиком. В слу-
ге использования VBR гарантируется некий базовый объем трафика с возможностью
г го увеличения для передачи резко возрастающих объемов данных при условии, что для
кого имеется полоса частот. Существуют разновидности режима VBR, вводимые для
гзполнительной классификации в пределах данной модели, которые позволяют вести
передачу данных в реальном времени (real time — RT), или не гарантируют такой воз-
эжности (non real time — NRT). Каналы с доступной скоростью передачи битов (available
rate — ABR) гарантируют некоторый минимальный объем трафика с возможностью
его увеличения при наличии свободной пропускной способности. Наконец, каналы с
неопределенной скоростью передачи битов (unspecified bit rate —UBR) гарантируют
предоставление обслуживания в пределах возможностей, допускаемых текущим состоя-
нием сети (best-effort service). Поток данных передается, если имеется доступная поло-
частот, но это не гарантируется. Каждый из перечисленных типов каналов отобража-
ется на уровне адаптации ATM (ATM adaptation layer — AAL), который преобразует поток
г а иных в ячейки ATM, обладающие соответствующими характеристиками.

ATM страдает двумя основными недостатками, касающимися передачи потоков дан-
ных. Ячейки ATM с фиксированной длиной 53 байта не очень хорошо соответствуют
пакетам размером 4 килобайта, генерируемым протоколом TCP/IP. Передача каждых
50 байт данных сопровождается тем, что называется «платой за ячейку» (cell tax); воз-
никают некоторые непроизводительные издержки, связанные с заголовком и с проме-
жутком времени между передачей отдельных ячеек. Все это напоминает попытки всу-
нуть бейсбольную биту во множество небольших конвертов, выложенных в ряд. Ясно,
что это не лучший способ для биты. Вторым недостатком является сложность. Для вы-
полнения протокола IP поверх ATM требуется огромный объем дополнительного про-
граммного обеспечения, чего компании всегда стараются избежать.

Коммутаторы, маршрутизаторы и

все такое прочее

Подключение множества машин к единственной сети неминуемо означает, что про-
пускная способность линии распределяется между различными компьютерами. Для улуч-
шения производительности, а также исходя из соображений осуществимости проектных
решений и безопасности сети, проектировщики сетей начали поиск возможностей со-
единения сетей между собой для выхода за пределы одной рабочей группы. Найденные
решения — коммутация на уровне МАС и маршрутизация на сетевом уровне — являют-
ся сегодня технологиями, играющими решающую роль в интеграции оптического уров-
ня с проходящими поверх него данными.

Были разработаны два решения — одно для соединения на канальном уровне, и вто-
рое — на сетевом. Ключевым моментом в обоих случаях являются временные задержки.
Чего всегда стараются избежать проектировщики сетей — так это замедления прохожде-
ния пакетов по сети. Несмотря на громадные скорости работы рассматриваемых систем,
накопление задержки происходит очень быстро. По мере роста задержек на извлечение
файлов из сети уходит все больше времени, что может приводить к остановке выполне-
ния приложений реального времени, таких как звуковые или видеоконфнренции.

Обычным способом организации соединений, обеспечивающим оптимальную произ-
водительность, является коммутация на канальном уровне. Как и их аналоги на физичес-
ком уровне, которые мы обсудим в главе 6, коммутаторы канального уровня соединяют
три и более сетей между собой. Различия между коммутаторами физического и канально-
го уровней заключены, конечно же, в степени интеллектуальности каждого из них. Ком-
мутаторы физического уровня направляют информацию между портами непосредствен-
но, не просматривая содержимое потока данных. Эффективно они играют роль простых
оптических волокон или кабелей по отношению к более высоким уровням и, что самое
главное, не вносят никакого вклада в увеличение пропускной способности сети.

С коммутаторами канального уровня дело обстоит иначе (см. рис. 2.11, а). Эти ловкие
устройства сегментируют сеть на множество канальных сетей. Например, 12-портовый ком-
мутатор Ethernet превращает одну сеть Ethernet в 12 сетей, эффективно увеличивая ее сум-
марную теоретическую пропускную способность с 10 до 120 Мбит/с*. На самом деле, про-
изводительность сети возрастает еще больше. Та же группа, которая разработала
спецификацию Ethernet, разработала и спецификацию Duplex-Ethernet, которая разбива-
ет стандартную сеть Ethernet на передающий и приемный каналы. Это позволяет избе-
жать конфликтов и дает клиентам возможность приблизиться к максимальной теорети-
чески возможной величине пропускной способности стандартного Ethernet, равной 10
Мбит/с (см. рис. 2.12). В этом случае результирующая суммарная пропускная способность
сети составляет не 120 Мбит/с. Она составляет 240 Мбит/с.

Коммутаторы совершают эти чудеса, проверяя МАС-адрес входящего пакета, быст-
ро сверяясь с базой данных для определения того, относится ли пункт назначения к сети,
и, если это не так, пересылая пакет на соответствующий порт. Представьте себе, что
коммутаторы — это почтовые отделения в миниатюре, где работникам требуется про-
сматривать только названия улиц, а не городов, штата или страны. Поскольку коммута-
торы просматривают лишь МАС-адреса, которые находятся в самом начале пакета, они
работают быстро и стоят недорого.

В действительности стоимость коммутаторов настолько невелика, что они изменили
само определение рабочей группы. Десять лет назад рабочая группа объединяла от 25
до 35 компьютеров. По мере совершенствования технологии коммутации число компь-
ютеров, совместно использующих коммутируемые Ethemet-порты, постоянно уменьша-
ется. Теперь не редкость, когда каждый компьютер в отдельности непосредственно под-
ключен к коммутатору Ethernet.

* Здесь необходимы некоторые разъяснения. Коммутатор Ethernet 10 Base-Tможет работать в трех режимах:
1. К каждому порту присоеденены выходы 12-ти коммутаторов нижнего уровня, порты которых используются
компьютерами рабочих групп. И, в том случае, когда эти сети работают автономно, то действительно, теоре-
тическая пропускная способность равна 120 Мбит/с.

2. Если же, эти 12 сетей взаимодействуют между собой попарно, то суммарная теоретическая производитель-
ность сети равна 60 Мбит/с.

3. В случае, когда 11 сетей одновременно "желают"выполнить обмен с 12-ой сетью (которая, например, являет-
ся серверным центром), то суммарная производительность не привышает 10 Мбит/с (Прим. науч. ред.).
И все же, интеллектуальность — это нечто совсем другое. Коммутаторы «не видят»
ничего за пределами сетей Ethernet, к которым они подключены. В случае наступления
сбоя и отключения линии простые коммутаторы не возобновляют соединение. Более
того, поскольку они ограничены уровнем МАС, с обеспечением .безопасности сети они
также справляются не лучшим образом. Атаки многих хакеров направлены на сетевой
уровень, который коммутаторы видеть не могут. Наконец, если вы пытаетесь устано-
вить соединение между сетями двух различных типов, например между Ethernet и се-
тью общего пользования, то с этой задачей коммутаторы справятся не очень эффектив-
но. Не очень хорошо выполняют они и преобразование сигналов между различными
средами, например Ethernet и сетями, основанными на TDM.

Станция #1

Станция #2

а)

Станция #1	Маршрутизатор	Станция #2

Кан. Ур. - Канальный уровень
Физ. Ур. - Физический уровень

РИСУНОК 2.11

Различия между коммутатором и маршрутизатором

Перейдем к маршрутизаторам. Эти устройства обеспечивают соединение между сетя-
ми на сетевом уровне (см. рис. 2.11, Ь). Они проверяют сетевые адреса входящих пакетов,
быстро сверяются с базой данных для определения того, с каким портом связана сеть, после
чего пересылают пакет по соответствующему адресу. Они ведут себя, скорее, как почто-
вые отделения, работающие на уровне адреса города или штата, но не улицы.
Выбор маршрута для пересылки пакета осуществляется в результате анализа своеоб-
разной топологической карты сети. Информация, необходимая для создания такой кар-
ты, собирается от разных маршрутизаторов с помощью так называемых протоколов мар-
шрутизации (rooting protocols). На сегодняшний день провайдеры Intemet-услуг в своих
собственных сетях обычно используют протокол поиска кратчайшего пути OSPF (Open
Shortest Path First), а для связи между сетями — протокол граничного шлюза BGP (Border
Gateway Protocol). Поскольку маршрутизаторы содержат карты сетей, их решения при
выборе маршрутов для пересылки пакетов отличаются большей интеллектуальностью по
сравнению с коммутаторами. Так, маршрутизаторы могут, например, направлять паке-
ты в обход отказавшего канала, используя для этого так называемые транзиты (hops),
т.е. ближайшие маршрутизаторы.

РИСУНОК 2.12

В дуплексном режиме передача и прием осуществляются по различным парам проводов или
оповолокна. Дуплексный режим, первоначально разработанный для Ethernet 10 Мбит/с, в настоящее
время реализуется также в высокоскоростных сетях Ethernet

У работы на сетевом уровне имеются также другие преимущества и недостатки. С
одной стороны, маршрутизаторы способны устанавливать соединение между различны-
ми типами сетей. С другой стороны, по сравнению с коммутаторами они работают обыч-
но более медленно, хотя современной технологии маршрутизации несомненно удалось
сузить эту брешь. Как мы увидим далее в главе 10, в маршрутизаторах следующего по-
коления, которые начинают применяться в современных сетях общего пользования,
скорость коммутации на уровне МАС сочетается с функциональными возможностями
маршрутизации.
QoS и VLAN

Распределение полосы пропускания между вычислительными машинами, или узла-
ми, составляет лишь часть задачи создания эффективной коммуникационной сети. Дру-
гую сторону вопроса составляет тип предоставляемой полосы пропускания. Поскольку
современный трафик характеризуется многоликостью и пересылается между различны-
ми компьютерами и узлами, специалисты по сетям нуждаются в способах сегментации
пропускной способности и обеспечения безопасности сети. В мире TDM это естествен-
ным образом обеспечивает сама технология, но мир цифровых данных требует новых
схем, гарантирующих конфиденциальность р качество услуг.

До настоящего момента мы, как правило, представляли себе цифровые сети, напо-
добие Ethernet, в образе почтальона (или женщины-почтальона!), осуществляющего
выборку почты с заданного количества участков, расположенных, скажем, в пределах
одного квартала. Но как быть в случае, если переписка между участками включает в себя
много частной почты? Существует вполне реальная возможность того, что почта может
быть перехвачена и прочитана.

Чтобы этого не происходило, сетевые администраторы корпоративных сетей, а так-
же (во все возрастающем количестве) телефонные компании, в ведении которых нахо-
дятся сети общего пользования, начали организовывать виртуальные локальные сети
(Virtual LAN — VLAN). VLAN присваивают пакетам дескрипторы (tag), относящие их к
специально определенной группе пользователей. В сетях общего пользования VLAN
могут использоваться для разделения трафика различных пользователей. Это' можно
уподобить разделению почтового маршрута между почтальонами различных компаний.

Схема, которая сегодня широко применяется для VLAN в мире Ethernet, принадле-
жит группе IEEE 802 и называется 802. lq. Однако для других технологий могут быть
разработаны и уже разработаны другие, приспособленные конкретно к ним схемы. Как
мы далее увидим, новый протокол региональных сетей (metro protocol), называемый
протоколом устойчивого (динамического) кольца для передачи пакетов ( Resilient Packet
Ring — RPR), может реализовать собственную схему VLAN.

В каждой конкретной виртуальной сети обслуживающая компания должна быть в
состоянии предоставлять услуги различного качества (Quality of Service — QoS). Обра-
тите внимание на то, какого типа приложения доминируют в Internet на сегодняшний
день: электронная почта, WEB, мгновенная передача сообщений, передача файлов. Все
эти приложения сравнительно толерантны к изменениям условий трафика в Internet. Если
сеть перегружена и ваша электронная почта задерживается, то эта WEB-страница будет
просто немного дольше загружаться, но особого вреда от этого нет.

А теперь вспомните, если вам когда-либо приходилось это делать, о своих попытках
организовать аудио- или видеоконференцию через Internet. Конечно, это может рабо-
тать, но ни о каком качестве здесь и речи быть не может. Рискнули ли бы вы положить-
ся в своем бизнесе на голосовой трафик, обеспечиваемый Internet? Скорее всего, нет.

Так почему же телефонная сеть может обеспечивать разговоры по телефону без по-
мех, а цифровых сетей словно и не существует, когда речь заходит о подобного рода
приложениях? Дело здесь в качестве услуг. Не все виды трафика, передаваемые по сети,
допускают обработку наравне с другими. Одни виды приложений, связанные с переда-
чей звуковой и видеоинформации, предъявляют к сети очень высокие запросы. Они
требуют малых времен ожидания (задержки) и больших полос пропускания, а также
чувствительны к дрожанию (изменениям времени задержки) и потерям трафика. Для
других приложений подобного рода параметры не являются критическими.

Более того, даже в пределах одного приложения часто возникает необходимость ре-
шать, кому первому следует предоставить доступ к сети. Проводя грубую параллель,
можно сказать, что каждый имеет право доступа к почтовой системе, но почтовые от-
правления первого класса должны обслуживаться первыми.

В этих условиях решением должна быть разработка такого способа, который смог бы
гарантировать получение требуемого доступа к сети каждым приложением. В SONET
это достигается за счет распределения полосы пропускания по всей сети. Как только
между двумя точками создается канал, вдоль всего пути резервируются временные ин-
тервалы (time slots) (см. главу 7). Возможно, не очень эффективно, но зато очень дей-
ственно при предоставлении высококачественных услуг.

В мире пакетной передачи данных организовать поддержку качества услуг (QoS) слож-
нее. Полоса пропускания в этом случае не распределяется по всей сети, но вместо этого в
точке входа в сеть должна быть предусмотрена отработка алгоритма, реализующего QoS.
Может показаться, что сделать это очень просто, но в действительности все намного слож-
нее и требует решения ряда вопросов, относящихся к пяти различным областям.

Первое, что следует сделать, это присвоить трафику ярлык или метку, обозначаю-
щие определенный уровень обслуживания, соответствующий запросам клиента. Необ-
ходимо проанализировать поступающий на маршрутизатор или коммутатор трафик,
проверить стратегию (policy) и затем присвоить трафику метку, обозначающую опреде-
ленный уровень обслуживания, который зависит от пользовательских запросов. Эта метка
должна играть роль своеобразной золотой, серебряной или бронзовой карточки, где
золотая карточка имеет наивысший приоритет, но и стоимость ее самая высокая, брон-
зовая — имеет наинизший приоритет и наименьшую стоимость, а серебряная занимает
промежуточное положение.

Как только трафик классифицирован, его необходимо поместить в определенную
очередь, т.е. занести в определенный блок памяти для передачи в сеть. В сетях, в кото-
рых не реализованы механизмы распределения приоритета, используются алгоритмы
очереди, действующие по принципу «первым пришел — первым ушел» («first in — first
out» — FIFO), т.е. маршрутизаторы и коммутаторы просто посылают пакеты в сеть в
порядке их поступления. При организации очередей с приоритетом (priority queuing)
пакеты, имеющие различный приоритет, помещаются в различные очереди, и те из них,
которые находятся в очереди с более высоким приоритетом получают преимуществен-
ный доступ к сети. При организации очередей со специальной организацией приоритета
(custom queuing) каждому классу трафика отводится определенная доля пропускной
способности линии путем назначения каждому из них различных объемов пространства
очереди, после чего эти очереди последовательно обслуживаются одна за другой. Нако-
нец, в очередях, построенных по принципу предоставления взвешенного равноправного
доступа (weighted fair queuing) к сети, гарантируется прогнозируемое распределение
обслуживания между различными классами трафика. Трафик небольшого объема полу-
чает преимущественное обслуживание и пересылается в сеть как можно быстрее. Ос-
тавшаяся свободной пропускная способность распределяется далее между другими ви-
дами трафика большего объема.
Казалось бы, с присвоением трафику классифицирующих меток, помещением его в
очередь и доставкой в сеть вопрос с QoS можно считать исчерпанным, однако в действи-
тельности должны быть решены еще три «управленческие» задачи. Требуется проверить
стратегию, т.е. убедиться в том, что устройства соответствуют определениям QoS. Кроме
того, должны быть предусмотрены средства, позволяющие отвергать некоторые пакеты.
Это может понадобиться по двум причинам: 1) для исключения пакетов, полученных аг
отправителей больших объемов данных, и 2) для перераспределения полосы пропускания
другим пользователям на некоторое время до тех пор, пока нагрузка в сети не уменьшит-
ся. Наконец, необходимо распространить функции QoS на все сетевые технологии.

Будучи реализованными в полной мере, алгоритмы QoS обеспечат владельцам линий
значительное продвижение на пути к организации единой сети, способной передавать
широкий ряд различных типов данных. Трудностью здесь, особенно в отношении исполь-
зуемого в настоящее время протокола IP, является то, что хотя владельцы линий и могли
бы организовать присваивание меток трафику при его поступлении в сеть, они не всегда
могут гарантировать надлежащее манипулирование пропускной способностью в пределах
центральной части (core) сети, что и обусловливало важность роли MPLS (Multiprotocol
label switching — многопротокольная коммутация с использованием меток). С тем, как
используется MPLS при обработке трафика, вы познакомитесь более подробно в главе 10.

Резюме

Связь между компьютерами осуществляется в соответствии с правилами, называе-
мыми протоколами. Совокупность коммуникационных протоколов, образующих набор,
называется архитектурой. Наиболее известными являются архитектуры TCP/IP и OSI,
определяющие общедоступные сети.

Модель OSI включает семь последовательно расположенных уровней: физический
(Physical layer), канальный (Data Link layer), сетевой (Network layer), транспортный
(Transport layer), сеансовый (Session layer), представления данных (Presentation layer) и
прикладной (Application layer). Интеллектуальные оптические сети главным образом
связаны с первым и вторым уровнями и частично — с третьим.

В оптических сетях используется цифровая связь, при которой информация пересы-
лается в виде последовательностей оптических импульсов или битов. В телефонной сети
используется аналоговая связь, с помощью которой, в частности, наши домашние теле-
фоны могут соединяться между собой.

Количество битов, которые могут быть переданы с использованием участка спектра
заданной ширины, подчиняется закону Шэннона.

Существует три различных топологии организации сетей: двухточечная (point-to-point),
звездообразная (hub), и кольцевая (ring).

Эти сети подразделяются далее на три типа в соответствии с применяемой схемой
мультиплексирования. Мультиплексирование с разделением длин волн (WDM) означает
передачу информации с использованием волн различной длины. Мультиплексирование
с разделением времени (TDM) сводится к передаче информации на протяжении различ-
ных временных промежутков. При статистическом мультиплексировании, используе-
мом, например, в протоколах Ethernet и ATM, выбор способа передачи информации
осуществляется в соответствии с текущей необходимостью.
В корпоративных сетях доминирует Ethernet, в сетях общего пользования — SONET.

Существует два способа организации соединения сетей Ethernet. Коммутаторы осуще-
ствляют межсетевые соединения на канальном уровне, маршрутизаторы — на сетевом.

Безопасная передача смешанных потоков цифровой и голосовой информации меж-
ду узлами требует реализации функций QoS и VLAN. QoS представляет собой схему, по
которой осуществляется предоставление полосы пропускания и соответствующих пара-
метров трафика для передачи специфических типов данных.

VLAN присваивают пакетам дескрипторы (tag), относящие их к специально опреде-
ленной группе пользователей. В общедоступных сетях VLAN могут использоваться для
разделения трафика разных клиентов по общей сети.
Часть 2
Глава 3

Основы теории света

В этой главе...

•	Атомы, электроны и тому подобное

•	Свойства волн

•	Электромагнитный спектр

•	Волновое поведение

•	Преломление

•	Интерференция

•	Дифракция и рассеяние

•	Резюме

Идея использовать свет для представления данных сама по себе не является новой.
Прошло уже более ста лет с тех пор, как Александр Грэхем Белл (Alexander Graham Bell)
впервые продемонстрировал, что голос можно передавать через открытое пространство
с помощью света. Действительно новым в наше время являются улучшенные волокна и
другие основные оптические компоненты. Несмотря на предсказания ученых, сделан-
ные ими в 60-е годы, о том, что возможная длина волокон ограничена 500 м, для сегод-
няшних оптических питонов достижима длина, превышающая указанную в тысячи раз.

Это стало возможным благодаря пониманию нами основных свойств света. Процесс
распространении света вдоль волокон во многом определяется явлениями отражения и
преломления, тогда как при переходе к протяженным волокнам заметную роль начина-
ют играть также явления рассеяния.

По иронии судьбы, несмотря на то что ученым известно, как ведет себя свет, они не
могут сказать с полной определенностью, что он собой представляет. Как показывают
эксперименты, свет состоит из частиц, однако ведет себя при этом как электромагнит-
ная волна — форма энергии, порождаемая возбужденными электронами атомов. Оба типа
характеристик света будут играть важную роль в нашем понимании основных законо-
мерностей функционирования оптических сетей.

Атомы, электроны и тому подобное

До 19-го века считалось, что свет состоит из частиц, которые испускаются одним
объектом и воспринимаются другим. В основе этой корпускулярной теории света лежит
точка зрения Ньютона (Newton), корни которой простираются назад вглубь веков к гре-
кам, которые дали этим крошечным частицам название корпускул. Согласно теории
Ньютона, предложенной им в 1666 году, свет — это пучки частиц, излучаемых свето-
вым источником, которые обладают свойством быть видимыми глазом. Исходя из это-
го, Ньютону удалось объяснить эффекты отражения и преломления света.

Однако еще при жизни Ньютона справедливость корпускулярной теории была под-
вергнута сомнению. В 1678 году датским физиком Христианом Гюйгенсом (Christian
Huygens) было доказано, что явления отражения и преломления света могут быть объяс-
нены в предположении, что свет является волной. Точка зрения Гюйгенса в то время
отвергалась ее противниками на том основании, что если бы волновая теория света была
верна, то он огибал бы края объектов, что позволяло бы видеть другие объекты, скры-
тые от прямого взгляда наблюдателя. Как мы далее увидим, огибание объектов светом
действительно происходит (это явление называется дифракцией), однако ввиду чрезвы-
чайной малости длины световых волн его трудно заметить.

Волновая теория оставалась в забвении в течение более века, пока в 1801 году Томас
Юнг (Thomas Young), британский физик и египтолог (принимавший также участие в
расшифровке надписей на камне, найденном в г. Розетта (Rosetta Stone), благодаря чему
удалось понять египетские иероглифы), впервые продемонстрировал волновые свойства
света. Эксперименты Юнга доказали, что световые лучи способны пересекаться между
собой. Это явление невозможно было объяснить с точки зрения корпускулярной тео-
рии, поскольку никакие две частицы не могут занимать в пространстве одно и то же
место. В результате дополнительных исследований, проведенных на протяжении 19-го
столетия, ученое сообщество постепенно склонилось к мысли, что свет — это волны,
распространяющиеся в невидимой субстанции, называемой эфиром (ether), той самой
субстанции, по имени которой Меткальф (Metcalfe) назвал популярную локальную сеть
Ethernet (см. главу 2).

РИСУНОК 3.1

Классическая точка зрения на строение атома.

Теорию, согласно которой свет имеет волновую природу, легко понять, если исполь-
зовать упрощенную модель атома, предложенную Эрнстом Резерфордом (Ernest
Rutherford) (1871-1973). В модели Резерфорда электроны, подобно планетам, обращаю-
щимся вокруг солнца, движутся по орбитам вокруг ядра, состоящего из протонов. По-
средством электрических сил ядро воздействует на электроны, удерживая их в соответ-
ствующих состояниях (рис. 3.1). Чем ближе электрон к ядру, тем сильнее притяжение.
Область, в которой проявляется действие протона на электроны, называется силовым
полем. Положительные заряды, помещенные в это поле, будут отталкиваться протона-
ми, отрицательные, наподобие электронов, — притягиваться.
Если в систему ввести энергию, электроны возбудятся и начнут колебаться на своих
местах. Электронные колебания искажают удерживающее их электрическое поле, обра-
зуя электромагнитные волны (рис. 3.2).

О Местонахождение электрона в будущий момент времени
@ Местонахождение электрона в текущий момент времени

РИСУНОК 3.2

Согласно классической точке зрения электромагнитные волны образуются в результате колебаний
электронов, искажающих электрическое силовое поле, создаваемое положительно
заряженной частицей.

Квантовая точка зрения

Знание законов электричества и магнетизма в сочетании с пониманием закономер-
ностей протекания волновых процессов позволило ученым 19-го столетия объяснить
большинство известных к тому времени свойств света. Однако некоторые явления, сре-
ди которых можно выделить фотоэлектрический эффект, по-прежнему оставались
необъяснимыми. Это привело к рождению новой, квантовой модели света, сочетающей
в себе свойства как частиц, так и волн.

Суть фотоэлектрического эффекта заключается в том, что при столкновении света с
полупроводниковыми материалами происходит выбивание электронов. В соответствии с
волновой теорией кинетическая энергия электронов с увеличением интенсивности осве-
щения должна возрастать. В то же время, эксперименты показали, что приобретенная
выбитыми электронами дополнительная энергия не зависит от интенсивности света.

Это противоречие удалось разрешить лишь в начале 20-го столетия, когда Альбер-
том Эйнштейном (Albert Einstein), исходившим из идей Макса Планка (Max Planck) о
квантовании, была предложена теория эффекта, в которой допускалось, что энергия
световой волны сосредоточена в волновых пакетах, называемых фотонами. Эйнштей-
ном было теоретически показано, что энергия фотонов прямо пропорциональна часто-
те электромагнитного излучения.

Используя первоначальную квантовую теорию Планка и понятия Эйнштейна о све-
те как о пучках фотонов, Нильс Бор (Niels Bohr) в 1913 году ввел новую модель атома,
которая заменила модель Резерфорда. В случае модели Резерфорда проблема состояла в
том, что если источником световой энергии считать электронные колебания, то элект-
роны должны постоянно излучать энергию. Вам понятно почему? Если отобразить ор-
биту электрона на двумерной плоскости, то движение электрона будет выглядеть так,
словно он колеблется, и это (см. рис. 3.3) действительно так!

О Местонахождение электрона в
будущий момент времени

о Местонахождение электрона в
текущий момент времени

РИСУНОК 3.3

Электронная орбита представлена так, словно электрон колеблется на одном месте, что в рамках
классической точки зрения должно приводить к возникновению электромагнитных волн.

Отсюда согласно закону сохранения энергии следует, что каждый раз, когда элект-
рон излучает энергию, его движение должно замедляться. По прошествии достаточно
большого промежутка времени электрон не смог бы далее сохранять свое состояние и в
конце концов упал бы на ядро, тем самым приведя к разрушению атома. В таком случае
материя существовала бы только доли секунды, и эта книга никогда не появилась.

Бор постулировал, что классическая теория излучения не работает в случае систем
атомарных размеров. Он полагал, что электроны в процессе своего движения вокруг ядра
удерживаются на определенных энергетических уровнях. Термин энергетический уровень
используется по многим причинам, одной из которых является то, что электроны ка-
жутся движущимися, на самом деле они не имеют точную орбиту вокруг ядра (рис. 3.4).

Если классическая физика допускает практически любую орбиту, то с квантовой точ-
ки зрения возможны не все, а только «особые» уровни энергии. Если частицы света, на-
зываемые фотонами, обладают подходящей частотой, то при соударении с атомами они
выталкивают электроны на более высокие энергетические уровни. В результате же пе-
рехода электрона с более высокого уровня на более низкий происходит излучение фо-
тона, энергия которого в точности соответствует разнице в энергиях двух состояний. В
результате излучения достаточного количества фотонов соответствующей частоты и по-
рождается видимый нами свет.

Точка зрения, основанная на квантовом понимании природы света, во многом напо-
минает корпускулярную теорию, и последняя действительно имеет много общего с кван-
товой моделью. Тем не менее, важно подчеркнуть, что теория Эйнштейна является объе-
динением волновой и корпускулярной теорий. Действительно, в рамках этой теории
фотоэлектрический эффект объясняется передачей энергии от одиночного фотона элект-
рону металла, однако энергия фотона определяется частотой электромагнитной волны.
РИСУНОК 3.4

В модели Бора считается, что электроны заселяют
различные энергетические состояния, причем чем
дальше электрон находится от ядра, тем большей энергией
он обладает.

Большая энергия

Меньшая энергия

Так что же такое свет — частица или волна? Свет является одновременно и тем, и
другим, точнее сказать, в зависимости от ситуации он ведет себя то как частица, то как
волна. Многие процессы, происходящие в оптических сетях можно объяснить с помо-
щью волновой теории света. В необходимых случаях мы будем привлекать и корпуску-

лярную теорию.

kOPTrycUyAaPHO-lOAHOloa РУАЛцЗ'Л С1Те
ОКОНЧАТЕЛЬНО СВ(ЛЛ его с ТОЛКУ

Свойства волн

Являясь одной из разновидностей электромагнитного излучения, свет относится к
категории так называемых поперечных волн. В поперечных волнах составляющие ос-
циллируют перпендикулярно направлению движения волны. Любому, кто проводил
время на берегу, известно все о поперечных волнах и перпендикулярном характере их
движения. Волны на воде являются хорошим примером того, что происходит с электро-
магнитными волнами. По мере того, как волны катятся к берегу, они поднимают плов-
ца на свои гребни, а затем опускают его в свои впадины. Вот это мы и имеем в виду,
когда говорим о перпендикулярном характере движения.

Не все волны являются поперечными. Существуют и продольные волны, составляю-
щие которых осциллируют, т.е. колеблются, параллельно направлению распростране-
ния волны. В качестве примера можно привести обычную спиральную пружину. При
сжатии или растяжении такой пружины в ней возникают усилия, стремящиеся вернуть
ее в состояние равновесия.

Подобно волнам океана электромагнитные волны распространяются цугом. Пред-
ставьте, что вы парите над океаном, наблюдая за волнами с высоты. Вы могли бы тогда
увидеть на воде последовательность гребней (рис. 3.5). Более светлым областям на воде
соответствовали бы гребни волн, более темным — провалы между ними. Такие после-
довательности волн называют цугом. Направление распространения цуга указывают про-
ведением луча через волновые пики.

РИСУНОК 3.5

Отдельные направления распространения
цугов волн указаны тремя лучами.

Посмотрите на волновой цуг в разрезе, и вы увидите синусоидальную волну с опре-
деленными характеристиками высоты, длины, частоты и скорости. Высота, или ампли-
туда, волны измеряется от ее пика, т.е. гребня, до оси, относительно которой осуществ-
ляется движение волны. К этому также можно добавить, что амплитуда является тем
параметром, который определяет яркость импульса. Расстояние между соседними по-
дошвами волны называется длиной волны (рис. 3.6). Применение DWDM-систем (Dense
Walelength Division Multiplexing — мультиплексирование по длине волны высокой плот-
ности) для передачи различной информации с помощью сигналов, использующих раз-
личную длину волны, позволило провайдерам резко увеличить пропускную способность
волоконно-оптических каналов связи.

Число колебаний, совершаемых волной за 1 с, или частота колебаний, измеряется в
герцах (Гц). Эта единица измерения не имеет никакого отношения к известной одно-
именной компании по прокату автомобилей и названа так в честь физика Генриха Гер-
ца, занимавшегося изучением распространения радиоволн. При подсчете колебаний
учитываются завершенные циклы — от начала подъема волны до окончания ее спада.
Промежуток времени между пересечением какой-то конкретной точки пространства
двумя последовательно движущимися циклами, являющийся величиной, обратной час-
тоте, называется периодом колебаний.

Длина волны

РИСУНОК 3.6

Синусоидальная форма профиля электромагнитной волны.

Если гребни и впадины двух волн прибывают в какую-то точку в одно и то же вре-
мя, то они, как говорят, находятся в фазе по отношению друг к другу, или, иными сло-
вами, находящиеся в фазе волны имеют симметричный вид. Аналогичным образом, если
две точки волны разделены целым числом периодов или длин волн, то они также нахо-
дятся в фазе (рис. 3.7).

Другим важным свойством света является его скорость. Скорость волны получается
умножением частоты на длину волны. Поскольку все электромагнитные волны распро-
страняются со скоростью света, которая для вакуума составляет 299792458 м/с, т.е. при-
близительно 300000 км/с, то всегда достаточно знать величину только одного из этих
параметров, ибо в результате постоянства скорости света между ними существует об-
ратно пропорциональная зависимость. Чем выше частота, тем короче длина волны.

В действительности подход, при котором электромагнитная волна считается сину-
соидальной, дает упрощенную картину явления. Электромагнитные волны называют
таковыми, поскольку они состоят из электрического и магнитного полей, колеблющих-
ся ортогонально, т.е. перпендикулярно, и в фазе по отношению друг к другу. Посколь-
ку обычно оба поля не взаимодействуют между собой, на рисунках представлена лишь
электрическая составляющая.

Электромагнитный спектр

Поняв, что такое частота и длина волны, мы сможем понять, в какой области элек-
тромагнитного спектра осуществляется оптическая связь. Спектр — это диапазон зна-
чений параметров, в котором происходят электромагнитные явления. Один конец спек-
тра соответствует гамма-лучам (примерно 1 3Гц) — виду излучения, испускаемого при
ядерном взрыве, другой — радиочастотам (от 1 КГц до 1 ГГц). Частоты, на которых осу-
Волны находятся в фазе

Волны не находятся в фазе

Точки находятся в фазе

Точки не находятся в фазе

РИСУНОК 3.7

Нахождение волн и точек в фазе.
ществляется оптическая передача данных, начинаются немного выше области видимого
спектра и захватывают расположенную ниже полосу ультрафиолета. Все эти полосы в
некоторой степени перекрываются (см. рис. 3.8), поскольку такое деление спектра но-
сит условный характер и его придумал человек.

Длина волны
(М)

100

10

10-е

10-9

10 12

Радио-
частоты

Микроволновая
область

свет

Гамма-лучи '

ю-3

Частота
(Гц)

—

—107

—108 * *

—1011 * *

—1014

—10’7

—1020

ООПИ - область оптической передачи информации
УФ - ультрафиолет

РИСУНОК 3.8

Электромагнитный спектр.

В целях облегчения организации взаимодействия различных видов оптического обо-

рудования между собой Международный союз по телекоммуникациям (International

Telecommunications Union — ITU), который является органом, ответственным за выра-

ботку стандартов телесвязи в пределах всего земного шара, определил для дальней оп-

тической связи шесть диапазонов. Еще один, седьмой диапазон используется для пере-

дачи сигналов на ближние расстояния (рис. 3.9).
РИСУНОК 3.9

Диапазоны передачи

Поведение волн

При прохождении волн сквозь среду проявляются их ключевые свойства — ключе-
вые, поскольку они играют решающую роль в оптических системах. К этим свойствам
относятся отражение, преломление, интерференция и дифракция.

Начнем с наиболее широко известного свойства — отражения. При столкновении с
поверхностью волны отскакивают от нее. В этом нет ничего удивительного. Стоит по-
смотреть на себя в зеркало, и вы увидите пример того, как работает отражение. В дей-
ствительности все объекты в той или иной мере отражают свет. Цвета, которые мы на-
блюдаем вокруг себя, являются результатом отражения света от объектов.

Когда свет ударяется о поверхность, он отражается от нее под определенным углом.
Этот угол, называемый углом отражения, равен углу, под которым луч света падает на
объект, измеренному от нормали — воображаемой линии, проведенной перпендикулярно
поверхности объекта в той точке, где ее пересекает луч (рис. 3.10).

Нормальность? А кому она нужна?

Введение нормали — воображаемого перпендикуляра к поверхности, используемого
для отсчета углов отражения и преломления, на первый взгляд представляется излиш-
ним. Почему бы не измерять углы относительно поверхности объекта, на которую па-
дает свет? Проблемы возникают тогда, когда поверхность тела, о которую ударяется свет,
не является плоской, как, например, в случае искривленного листа стекла. В такой си-
туации отсутствуют какие-либо обычные способы выбора поверхности в качестве нача-
ла отсчета. Вот тут то и пригождаются нормали.

РИСУНОК. 3.10

Угол падения (al) равен углу отражения (а2).

Отражение бывает двух типов. При зеркальном отражении параллельные лучи после
столкновения с поверхностью и отражения от нее остаются параллельными. Как мы далее
увидим, зеркальное отражение имеет важное значение для понимания того, каким об-
разом волны распространяются вдоль волокон. Диффузное отражение наблюдается в тех
случаях, когда пучок параллельных лучей падает на шероховатую поверхность, отража-
ющую лучи под разными углами, в результате чего возникают искажения. При скручи-
вании волокон и появлении в них микроизгибов (microbends) проблемы, связанные с
диффузным отражением, выступают на первый план.

Преломление

Впрочем, не все тела полностью отражают падающий на них свет. Некоторые из них
пропускают сквозь себя часть света, хотя и с некоторыми искажениями. Вспомните, как
на палке появляется кажущийся излом, когда вы засовываете ее конец в воду. Причина
этого явления, называемого преломлением, кроется в изменении скорости распростра-
нения световых волн при переходе через границу раздела двух сред, в данном случае —
через поверхность воды.

Преломление оказывается очень удобным свойством, если говорить об оптике. Фак-
тически, в этом явлении заключен ответ на вопрос о том, каким образом прозрачное в
обычных условиях вещество, например стекло, может удерживать оптический сигнал.
Чтобы разобраться с этим детальнее, необходимо рассмотреть, что такое показатель пре-
ломления (вместо общепринятого обозначения п в данной книге используется RI). Пока-
затель преломления — это отношение скорости света в вакууме к скорости света в веще-
стве. Поскольку в веществе свет всегда движется медленнее, чем в вакууме, RI для веще-
ства всегда больше 1,0. Значение RI меняется в зависимости от длины волны. В общем
случае, с уменьшением длины волны значение RI повышается, скорость движения света
в веществе замедляется, а отклонение волны направления распространения волны в ве-
ществе от первоначального направления увеличивается. Приводимые для веществ значе-
ния показателя преломления обычно относятся к принимаемой по умолчанию длине вол-
ны, равной 589 нм, что соответствует желтой линии натрия (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1 Значения показателя преломления для
распространенных веществ*_____________________

Вещество	RI	Вещество	RI
Воздух	1,0003	Диоксид углерода	1,0005
Материал плакировки волоконно-оптических кабелей	1,49	Плавленый кварц	1,46
Кронглас	1,52	Вода	1,33
Алмаз	2,42	Лед	1,31

* Приведенные данные цитируются по источнику: Serway/Beichner, «Physics for Scientists and Engineers
with Modem Physics», 5th ed., p. 1017, и соответствуют свету с длиной волны 589 нм.

Решающую роль при этом играет плотность веществ. При переходе волн в более
плотное вещество их скорость распространения и длина волны уменьшаются, и волна
отклоняется в направлении нормали. При переходе волн в среду, где их скорость уве-
личивается, длина волны также увеличивается, и волны отклоняются в направлении от
нормали (см. табл.3.2).

В целом, имея значения RI для двух материалов, их можно использовать для вычис-
ления угла преломления, который служит количественной мерой отклонения волн при
вхождении в другое вещество. Соответствующая формула носит название закона Снели-
уса, по имени датского математика Уиллброда ван Ройена Снелиуса (Willebrod van Roijen
Snell) (1580-1626).

Таблица 3.2 Характер поведения волн при преломлении

Среда, из которой выходят волны	Среда, в которую входят волны	
	Высокие значения RI	Низкие значения RI
Высокие значения RI		Длина волны увеличивается; световые волны отклоняются в направлении нормали
Низкие значения RI	Длина волны уменьшается; световые волны отклоняются в направлении от нормали	
' ( Ww ) К0ММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ЗАКОНА СНЕЛИУСА

Итак, каким же образом можно рассчитать, насколько отклонится свет
при прохождении через вещество? Для ответа на этот вопрос воспользуйтесь законом
Снелиуса, который гласит:

R^ * sin А = Rl2 * sin В,
где:

RI1 — показатель преломления исходного вещества

А — угол, под которым свет падает на границу раздела между веществами, измеренный
по отношению к нормали

Rl2 — показатель преломления нового вещества

В — угол, под которым свет входит в новое вещество, измеренный по отношению к нор-
мали

С законом Снелиуса связано одно интересное явление. При увеличении угла паде-
ния угол преломления также увеличивается. Когда величина угла преломления стано-
вится больше определенной величины, преломление вообще перестает наблюдаться, и
падающий луч отражается обратно в исходное вещество. Угол, при котором это начина-
ет происходить, называется критическим углом, а само явление носит название полного
внутреннего отражения (см. рис. 3.11).

РИСУНОК 3.11

При переходе света из вещества с высоким значение RI (диоксид кремния) в вещество с низким
значением RI (воздух) луч преломляется и отклоняется в направлении нормали. Однако при
определенном угле, называемом критическим углом, свет отражается обратно в исходное вещество
(диоксид кремния) Это явление носит название полного внутреннего отражения
КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ... ВЕЛИЧИНЫ КРИТИЧЕС-
КОГО УГЛА

При определенном угле падения света на границу раздела из веще-
ства с более высоким значением показателя преломления в вещество с более низким
значением этой характеристики, свет не может пересечь границу и остается в исходном
веществе. Этот угол называется критическим углом. Определить величину этого угла
можно с помощью формулы, которая выводится из закона Снелиуса:

критичский угол = арксинус (RI, / Rl2),

где R1, — показатель преломления вещества, в котором движется свет, a Rl2 — показа-
тель преломления нового вещества, в которое свет входит.

Полное внутреннее отражение и есть то чудо, благодаря которому свет может эф-
фективно распространяться вдоль оптического волокна. До тех пор, пока сигнал ударя-
ется о стенки волокна под углами, превышающими значение критического угла (изме-
ряемого относительно нормали), свет остается внутри сердечника. При условии, что угол
падения равен углу отражения, сигнал все время будет ударяться о стенки под доста-
точно большим углом, что обеспечит его распространение вдоль волокна.

Интерференция

При столкновении двух волн амплитуда результирующего сигнала может либо уси-
ливаться, что приводит к образованию более ярких импульсов, либо ослабляться. Когда
волны находятся в фазе, наблюдается явление, называемое конструктивной интерфе-
ренцией, при которой сигнал усиливается. При столкновении сигналов, находящихся
не в фазе, происходит деструктивная интерференция, и результирующий сигнал оказы-
вается ослабленным (см. рис. 3.12).

Дифракция и рассеяние

Кажется разумным, что свет распространяется вдоль прямых линий, однако под вли-
янием различных обстоятельств свет его поведение может измениться. Суть явления до-
вольно проста, и в основном именно оно определяет способ распространения света вдоль
одномодовых волоконно-оптических линий, если они имеют небольшую апертуру.

Явление дифракции заключается в отклонении волн от первоначального направле-
ния , когда они наталкиваются на объекты, размеры которых меньше длины волны. В
случае отверстий, чем ближе их размеры к длине волны, тем в большей степени прояв-
ляется этот эффект (см. рис. 3.13).

Если свет наталкивается на молекулы иного сорта, чем молекулы основного веще-
ства, он отклоняется, или рассеивается, ими в различных направлениях. Какая часть света
рассеивается и в каких направлениях, зависит от типа происходящего рассеяния. Явле-
ние рассеяния будет рассмотрено нами более подробно при изучении нелинейных эф-
фектов, сопровождающих распространение света по волоконно-оптической линии.
РИСУНОК 3.12

Интерференция может
усиливать или уменьшать сигнал.

Конструктивная интерференция

Деструктивная интерференция

РИСУНОК 3.13

Дифракция на узком отверстии.
Резюме

Свет является одним из типов электромагнитного излучения и образуется частица-
ми (называемыми фотонами) или волнами. Фотоны испускаются при переходах элект-
ронов из состояний с высшей энергией в состояния с низшей энергией. Волны возбуж-
даются электронными колебаниями.

Существует два типа волн — поперечные и продольные. Составляющие поперечной вол-
ны испытывают изменения в направлениях, перпендикулярных направлению движения
волны, в отличие от составляющих продольной волны, которые изменяются в направ-
лении, параллельном движению волны.

Свет образуется поперечными волнами, обладающими следующими свойствами:
амплитудой, длиной волны, частотой и скоростью. Длины волн различных видов рвета,
используемых при оптической передаче сигналов, лежат в интервале 850-1600 нм.

Световые волны имеют ряд характеристик. В случае оптических сетей наиболее важ-
ную роль играют отражение, преломление, дифракция и интерференция. Количественной
мерой сравнения скорости света в вакууме и в веществе, например стекле, служит пока-
затель преломления (RI). Чем выше показатель прелрмления, тем ниже скорость распро-
странения сигнала в данном материале.

При переходе света из вещества с более низким к веществу с более высоким показа-
телем преломления он изменяет свое направление. Как следует из закона Снелиуса, при
достижении определенной величины угла падения света на поверхность вещества с бо-
лее высоким значением RI свет отражается от нее по закону зеркального отражения. Это
явление называется явлением полного внутреннего отражения.
Глава 4

Оптоволоконные кабели

В этой главе ...

•	Почему именно волоконная оптика?

•	Конструкция волоконно-оптического кабеля

•	Что скрывается за полосой пропускания

•	Проблемы передачи сигналов

•	Децибелы — что это такое?

•	Дисперсия

•	Резюме

Если компьютерная связь моделирует почтовую систему, то оптическая транспор-
тировка сигналов эквивалентна перемещению почты внутри почтового отделения с по-
мощью конвейера — ее роль столь же существенна.

Быстрый рост Internet подталкивает провайдеров к разворачиванию высокоскорост-
ных линий связи. Благодаря появлению высокотехнологичных волоконно- оптических
кабелей скорости передачи на дальние расстояния возросли с 2,5-10 до 40 Гбит/с. Та-
кой резкий скачок был частично обусловлен усовершенствованием процесса производ-
ства волоконно-оптических кабелей, и в частности — успешным решением задачи ис-
ключения примесей из светопроводящей жилы и окружающего ее слоя плакировки
(cladding), которые фактически обеспечивают передачу световых импульсов.

Указанные два компонента в значительной степени определяют деление волоконно-
оптических кабельных линий на два основных типа: одномодовые и многомодовые. Даль-
нейшее усовершенствование этих двух основных типов касалось устранения многочис-
ленных проблем, которые первоначально ограничивали дальность передачи.

Почему именно волоконная оптика?

Любая попытка понять, в чем сущность оптической сети, должна начинаться с рассмот-
рения преимуществ волоконно-оптического кабеля. С чем связано движение в сторону
волоконно-оптических сетей? Можно было бы, конечно, дать немедленный ответ — с их
пропускной способностью, однако преимущества волоконной оптики этим далеко не ис-
черпывается. К их числу также относятся безопасность, гибкость и дальность действия сети.
•	Пропускная способность — Волоконно-оптические кабели обладают значительно
большей пропускной способностью, чем медные провода. Коаксиальные кабели
способны передавать одновременно около 2000 аналоговых телефонных разгово-
ров в предположении, что для каждого из них требуется 64 Кбит/с, или суммар-
но — 125 Мбит/с. Для оптоволоконных линий назвать верхние пределы трудно,
поскольку большая часть исследований сосредоточена на вопросах дальности свя-
зи. В то же время, компания NEC Corporation сообщила в марте 2001, что может
осуществлять передачу со скоростью примерно 10,9 терабит/с на расстояния свыше
117 км, обеспечивая, таким образом, пропускную способность, в 80000 раз пре-
вышающую пропускную способность медного кабеля.

•	Стоимость — Увеличению пропускной способности оптических систем сопутство-
вало также уменьшение стоимости производства оптических волокон, которая ста-
ла значительно меньшей, чем стоимость медных проводных линий. Снизилась и
стоимость прокладки волоконно-оптических линий, поскольку по сравнению с
медными кабелями волоконно-оптические кабели имеют меньшие размеры. Один
фут оптического волоконного кабеля может весить всего лишь несколько унций
при диаметре в пол-дюйма, тогда как вес такого же отрезка медного кабеля мо-
жет достигать нескольких фунтов при диаметре, измеряемом несколькими дюй-
мами. А увеличенные размеры кабеля означают уменьшение количества кабелей,
которые могут быть уложены в одну и ту же траншею.

•	Дальность связи — Волоконная оптика позволяет передавать данные на значи-
тельно большие расстояния по сравнению с медными проводами и при этом не
требует регенерации и восстановления синхронизации сигнала. Так, при исполь-
зовании технологии сверхпротяженных оптических линий сигналы могут прохо-
дить без регенерации до 1500-2000 километров, что приводит к заметному умень-
шению стоимости каналов связи.

•	Устойчивость к электрическим шумам — Поскольку в волоконно-оптических ли-
ниях электрические соединения не используются, они характеризуются высокой
устойчивостью к шумам. При этом система не только сама не излучает шумы, но
и невосприимчива к посторонним электрическим шумам, которые могли бы ис-
казить сигнал. Это означает, что оптоволоконные кабели могут размещаться вбли-
зи силовых кабелей, генераторов или любого другого оборудования, излучающе-
го шумы, и это не будет приводить к заметному искажению сигналов.

•	Отсутствие электрических соединений — Аналогичным образом, поскольку оп-
товолоконные кабели не требуют использования электрических разъемов, рабо-
тать с ними гораздо безопаснее, чем с любой другой разновидностью кабелей. В
случае медной кабельной проводки всегда существует вероятность того, что она
находится под высоким напряжением, которое может представлять опасность не
только для обслуживающего персонала, но и для других людей. В случае опти-
ческой кабельной проводки подобный риск исключается.

•	Повышенная безопасность данных — Перехват сообщений, передаваемых по оп-
тическим кабелям, хотя и возможен, но значительно затруднен, и любые его по-
пытки связаны с дополнительными потерями в линиях, которые легко обнару-
жить. В отличие от этого организовать незаметное «прослушивание» электрических
кабелей, излучающих сигналы, гораздо легче.
1ысоко1оло книсгАя эиетл

ФРЭНКУ УЛАЛОСЬ HAuTU ТТРеКРАСНОе
срерстьо рля улучшения своего
ЗРОРО1ЬЯ и РАСШиРеНиЯ КРУГОЗОРА
1 области сетей

Несмотря на все вышесказанное, вовсе не следует думать, будто в случае оптичес-
ких кабелей никаких проблем не существует. Одной из наиболее важных из них, кото-
рая едва ли имеет отношение к собственно волокнам, является высокая стоимость ком-
понентов сети. Несмотря на то, что оптические кабельные линии более привлекательны
по сравнению с медными, оптические устройства заметно дороже своих электрических
собратьев. Однако помимо вопросов стоимости перед провайдерами волоконно-опти-
ческих линий стоят две главные проблемы — монтаж линий и кабельные изгибы.

• Проблемы монтажа — Методика соединения оптических кабелей между собой ни-
когда не была простой при условии высококачественного проведения подобных
работ. Когда волоконно-оптические кабели еще только появились, соединитель-
ные элементы, которые позволяли подключать и отключать их, были ненадеж-
ними и на каждом соединении происходили потери мощности сигнала, достига-
ющие 3 децибел (о потерях мощности сигнала мы поговорим несколько позднее).
Во избежание таких потерь концы кабелей спаивались между собой путем плав-
ления стекла, а для такой работы требуется прецизионное оборудование и ее не
так то легко выполнить, скажем, на морозе или в условиях вьюги.

• Изгибы кабелей — Свет распространяется вдоль оптического волокна, отражаясь
от его стенок как от зеркала. Однако отражение происходит лишь при опреде-
ленной величине угла падения. Обычно это не представляет проблем, и волокна
допускается изгибать. Однако при сильных изгибах волокон или при наличии на
них дефектов, называемых микроизгибами (microbends), угол падения может ока-
заться меньше критического значения, в результате чего часть светового потока
будет покидать пределы центральной жилы волокна.

Конструкция волоконно-оптического кабеля

Точно так же как и автомобиль, волоконно-оптический кабель нуждается в каркасе.
Менее 10 процентов фактической массы кабеля предназначено для передачи фотонов,
которая и делает возможной оптическую связь. Остальная часть кабеля обеспечивает его
прочность и защищает от воздействия окружающей среды, чтобы он мог выдержать дли-
тельное пребывание в условиях кабелепровода.

Давайте рассмотрим все это более подробно. Оптоволоконные кабели, используемые
в сетях общего пользования, включают в себя пять отдельных компонентов — светоп-
роводящую жилу из стекла или диоксида кремния, плакировку, буферный слой, слой
упрочняющего материала и внешнюю защитную оболочку (см. рис. 4.1).

РИСУНОК 4.1

Пятислойная структура волоконно-оптического кабеля.

Не любое стекло годится

Когда мы говорим о стекле, мы, конечно же, имеем виду не те виды стекла, которые
используются для изготовления бутылок, или оконное стекло. Бытовое стекло представ-
ляет собой сплав, в который входит пять составляющих: песок, т.е. диоксид кремния
(SiO2); карбонат натрия (Na2CO3), предназначенный для снижения температуры плав-
ления кремнезема; карбонат кальция или известняк (СаСО3) и карбонат магния (MgCO3),
делающий кременеземно-натриевую оксидную смесь нерастворимой в воде.

В отличие от этого стекло, применяемое для производства волоконно-оптических
кабелей, изготовляется из чистого плавленого диоксида кремния с добавкой в него не-
которых специальных ингредиентов. Поскольку в этом случае добавки карбоната натрия
не используются, для получения оптических волокон на основе кремнезема требуются
очень высокие температуры порядка 1700 °C, необходимые для расплава смеси и обра-
зования стекла.

Получаемое при этом стекло обладает двумя качествами, представляющими интерес
для изготовителей оптоволоконных кабелей. Во-первых, они обладают высокой термо-
устойчивостью (выдерживая температуру 900 °C в течение длительного времени и крат-
ковременное воздействие температуры 1200 °C). А поскольку стекловолокно состоит из
чистого кремнезема, поглощение света оказывается очень малым, что позволяет сигна-
лу проходить гораздо большие расстояния чем это было бы возможным в случае исполь-
зования обычных стекол.

Возьмите волоконно-оптический кабель в руку. То, за что вы держитесь, является
внешней защитной оболочкой. Волоконно-оптические кабели обычно поступают в обо-
лочке оранжевого цвета, хотя производители могут использовать также черные и жел-
тые оболочки. В зависимости от назначения кабеля в качестве оболочки могут исполь-
зоваться самые различные материалы. В волоконно-оптических кабелях, прокладываемых
внутри зданий, обычно используются оболочки из поливинилхлорида. В случае наруж-
ных кабелей преобладают оболочки из полиэтилена, обеспечивающие защиту кабеля от
воздействия окружающей среды в условиях как наземной, так и подземной прокладки.

Снимите наружный защитный слой, и вы обнаружите под ним слой упрочняющего
материала, который защищает волокно от растрескивания и избыточного механическо-
го напряжения при монтаже. Могут использоваться различные типы упрочняющих ма-
териалов, включая Aramid (более известный под названием кевлара), стеклянную пря-
жу и пластмассу, армированную стекловолокнами.

Под упрочняющим материалом располагается пластмассовое покрытие. Оно нано-
сится на конечной стадии производственного процесса и защищает светопроводящую
жилу и плакировку от возникновения избыточных нагрузок при изгибе, а также от ца-
рапин и пыли. Толщина этого покрытия обычно составляет 250-900 микрон (мкм), и оно
состоит из двух слоев. Слой плакировки окружен мягким внутренним слоем, в котором
покоится оптическое волокно. Внутренний слой позволяет оголять центральную жилу,
тогда как более твердый внешний слой защищает волокно в процессе работы с ним, в
частности во время укладки или соединения.

Центральная жила и плакировка волоконно-оптического кабеля образуют, можно
сказать, сердцевину оптической системы. Имеющая толщину человеческого волоса и
обладающая прочностью стали центральная жила, по которой световой поток распрос-
траняется вдоль кабеля, изготовляется из кремнезема. Плакировка обволакивает цент-
ральную светопроводящую жилу, действуя как своего рода суперзеркало, в котором
используется явление полного внутреннего отражения, позволяющее сигналам распро-
страняться вдоль волокна, но при том лишь условии, что они соударяются с его повер-
хностью под нужным углом. Для указания размеров обоих элементов используется еди-
ная маркировка, имеющая вид: «диаметр центральной жилы/диаметр плакировки».
Диаметр центральной жилы является основным фактором, от которого зависит, на-
сколько легко и в какой степени свет будет удерживаться внутри стекловолокна. При
инжектировании света с помощью LED или лазера по волокну передаются лишь те све-
товые импульсы, которые соударяются с внутренней поверхностью центральной жилы
под определенными, допустимыми углами, для выражения величины которых исполь-
зуется числовая апертура (NA — numerical aperture). Чем больше диаметр центральной
жилы, тем легче юстируется излучение, создаваемое светодиодом или лазером.

® КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ЧИСЛОВОЙ АПЕРТУРЫ (NA)

Если только световой поток не будет инжектироваться в оптическое
волокно под соответствующим углом, он не сможет по нему распространяться, но что
это за угол? Для указания величины упомянутого угла изготовители используют числовую
апертуру. Точные численные значения рассчитываются по формуле:

Rl2>

где Rlt — показатель преломления центральной жилы, a Rl2 — показатель преломления
плакировки. Выражаясь иначе, представьте себе воображаемую воронку у торца волок-
на, раствор которой ограничивает допустимые углы. Тогда NA — это синус наибольшего
из углов, ограничиваемых раствором воронки (см. рис. 4.2).

РИСУНОК 4.2

Световые лучи, попадающие в волокно в пределах числовой апертуры, распространяются далее по
нему; все остальные лучи теряются в слое плакировки.

Типы волоконно-оптических кабелей

Игру, которая выпадает на долю оптики в волоконно-оптических кабелях, можно
было бы назвать «Передай сигнал подальше без потери четкости световых импульсов».
Возникающие при этом трудности носят двоякий характер. Во-первых, в силу целого
ряда причин сигналы при их прохождении вдоль волокон ослабляются или искажаются.
Во-вторых, высококачественные компоненты, необходимые для соединения волокон не-
большого диаметра, обладающих улучшенными характеристиками, дороги. Влияние этих
факторов привело к появлению двух основных типов оптических кабелей — многомо-
довых и одномодовых, а также нескольких их подтипов. Каждый из них подчиняется
различным стандартам, устанавливающим диапазоны изменения переменных величин
(для получения более подробной информации обратитесь к Приложению).

В корпоративных сетях главным образом используются многомодовые волоконно-
оптические кабели. Для этих кабелей характерен относительно большой диаметр цент-
ральной жилы (50 или 62,5 мкм), и они могут применяться на расстояниях примерно до
одного километра. Увеличенный диаметр светопроводящей жилы позволяет импульсам
использовать множество путей, или мод, для распространения по волоконно-оптичес-
кому кабелю (см. рис. 4.3). Существует два типа многомодовых оптоволоконных кабе-
лей, характеризуемых, соответственно, ступенчатым или плавным профилями показа-
теля преломления. В оптоволоконных кабелях со ступенчатым профилем показателя
преломления значение RI одинаково по всему диаметру центральной жилы, и они в
настоящее время редко используются. Оптоволоконные кабели с градиентным профи-
лем показателя преломления обеспечивают передачу сигналов на значительно большие
расстояния за счет того, что значение RI в них плавно увеличивается при перемещении
по диаметру центральной жилы от ее края к центру, где достигает максимума, а затем
вновь плавно уменьшается при приближении к периметру кабеля (см. рис. 4.4).

РИСУНОК 4.3

Большие размеры центральной жилы многомодового волоконно-оптического кабеля допускают
существование множества световых траекторий, называемых модами, по которым свет может
распространяться вдоль волокна.

РИСУНОК 4.4

В отличие от волоконно-оптических кабелей со ступенчатым профилем показателя преломления,
значения RI в кабелях с градиентным профилем при приближении к центру увеличиваются, что
позволяет лучам различных мод одновременно прибывать в конечную точку.

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ГРАНИЧНОЙ ДЛИНЫ
ВОЛНЫ

При определенной длине волны, называемой граничной длиной вол-
ны (cut-off wavelength), оптические волокна становятся одномодовыми. Волны с меньшей
длиной волны распространяются в режиме многомодовой передачи. Для определения точки
перехода волокна в одномодовый режим используется следующее уравнение:

Х =

kD\ П2 — П2

____л . . .2_L

2.4

где:

X — длина волны (произносится «лямбда»)

D — диаметр волокна

по — показатель преломления (RI) центральной жилы

П|— показатель преломления (RI) плакировки

Предположим, что диаметр центральной жилы оптического волокна составляет 8 мкм,
значение RI для плакировки — 1,485 и для центральной жилы - 1,5; тогда формула приоб-
ретает вид:	-------------

.	л8х103\| 1.52 - 1.4852

Л» —

2.4

в результате чего для граничной длины волны получаем значение 1281 нанометра. Лю-
бые волны, длина которых в данном кабеле составляет менее 1281 нанометра, будут
передаваться в режиме многомодовой передачи.

В сетях общего пользования используются одномодовые волоконно-оптические ка-
бели. Центральные жилы этих кабелей имеют намного меньший диаметр (6-8 мкм), что
ограничивает число возможных мод при данной длине волны, благодаря чему обеспе-
чивается'намного большая дальность связи, достигающая 50 км.

При сужении центральной светопроводящей жилы кабеля часть энергетических им-
пульсов начинает распространяться не только по ней, но и по плакировке. Поэтому,
когда речь заходит об одномодовых волоконно-оптических кабелях, понятие диаметра
центральной жилы становится неоднозначным. Вместо этого производители использу-
ют понятие «диаметра поля моды» (mode field diameter), которое относится не только к
центральной жиле оптического кабеля, но и к части плакировки, выход за пределы ко-
торой приводит к ухудшению рабочих характеристик кабеля. Поскольку эту величину
трудно строго определить, упоминаемые разными производителями значения диаметра
поля моды могут отличаться друг от друга. Типичное значение модового диаметра поля
для длины волны 1550 нм составляет 9,2-10 мкм.

Одномодовые волоконно-оптические кабели делятся на два широких класса — во-
локно с несмещенной дисперсией (non-dispersion shifted fibers — NDSF) и волокно
со смещенной дисперсией (dispersion shifted fibers — DSF). Для повышения дально-
сти передачи данных кабели NDSF, или стандартные одномодовые кабели, имеют сту-
пенчатый профиль показателя преломления центральной светопроводящей жилы. В ка-
белях DSF характеристики волокна изменяются таким образом, чтобы можно было
воспользоваться определенными его свойствами, уменьшающими ослабление сигна-
лов. В кабелях со смещенной нулевой дисперсией (zero-dispersion-shifted fibers — ZDSF)
показатель преломления RI изменяется таким образом, чтобы исключить дисперсию
сигнала. В кабелях со смещенной ненулевой дисперсией (non- zero-dispersion-shifted
fibers — NZDSF) вводится номинальная степень дисперсии, обеспечивающая возмож-
ность реализовать плотное волновое мультиплексирование (плотное мультиплекси-
рование по длине волны) (dense wave-division multiplexing — DWDM), с лучшими из
усилителей — оптический усилитель на волокне, легированном эрбием (erbium-doped
fiber amplifiers — EDFA). Были также разработаны специальные виды одномодовых
волоконно-оптических кабелей, предназначенные для компенсации специфических
дисперсионных эффектов, возникающих в одномодовых волокнах. Противодисперси-
онные (dispersion-limiting) кабели используются для борьбы с хроматической диспер-
сией. В поляризационных (polarization) кабелях показатель преломления RI изменяет-
ся таким образом, чтобы обеспечивалась компенсация еще одного нежелательного
дисперсионного эффекта, называемого поляризационной модовой дисперсией
(polarization mode dispersion — PMD). Явление PMD будет рассмотрено более подроб-
но далее в этой главе.

Что скрывается за полосой пропускания

Теперь мы в состоянии оценить важность того, что стоит за моделью полосы про-
пускания, которую мы ввели в главе 3. Во-первых, чем больше длина волны, тем мень-
ше ослабляется сигнал по мере прохождения кабеля. При прочих равных условиях опе-
раторы сетей всегда предпочитают работать на участках спектра с более высокими
длинами волн, поскольку это обеспечивает большую дальность связи. Разумеется, здесь
необходимо соблюдение определенного баланса. Работа с волнами большей длины со-
пряжена с увеличением стоимости и сложности оборудования.

По мере перехода в сторону все больших длин волн основной проблемой становится
дисперсия, или размывание световых импульсов при прохождении ими больших рассто-
яний. Производители волоконно-оптических кабелей борются с дисперсией, оптимизи-
руя волокно для определенной длины волны, которую обычно указывают в качестве
точки нулевой дисперсии (более подробно с проблемами дисперсии и ослабления сигна-
лов мы познакомимся далее в этой главе).

Многомодовые волоконно-оптические кабели рассчитаны на работу в первом и вто-
ром диапазонах, кабели со ступенчатым профилем показателя преломления работают
на длине волны 850 нм, а с градиентным профилем — на длинах волн 850 и 1300 нм.
Одномодовые кабели работают на увеличенных длинах волн, тогда как точке нулевой
дисперсии для стандартных одномодовых кабелей, или NSDF, соответствует длина вол-
ны равная 1310 нм, а для кабелей ZDSF — 1550 нм.

Как мы далее увидим, по иронии судьбы при работе в режиме DWDM обязательно
требуется наличие некоторой дисперсии. Поскольку для DWDM требуется длина вол-
ны 1550 нм, кабели ZDSF использовать нельзя, и по этой причине были разработаны
кабели NZDSF, для которых точка нулевой дисперсии смещена выше 1550 нм.

В то же время, эти классические определения понемногу начинают меняться по мере
того, как производители разрабатывают волоконно-оптические кабели, способные эф-
фективно работать на нескольких длинах волн. Особенно это относится к кабелям
NZDSF. Например, кабель Metrowave фирмы Lucent может в равной степени хорошо
работать на длинах волн 1310 и 155Q нм, тогда как кабели All Wave той же фирмы могут
работать на любой длине волны в интервале 1310-1550 нм.

Новые волоконно-оптические кабели уже начинают работать в области «горба» кри-
вой ослабления, который наблюдается вблизи 1400 нм. Повышенное ослабление сигна-
лов в этой области объясняется рэлеевским рассеянием, вызываемым примесями, вноси-
мыми в процессе изготовления волокон. Усовершенствование производственного про-
цесса позволило уменьшить, а в некоторых случаях даже полностью избавиться от ука-
занного скачка характеристик ослабления сигнала в данной области длин волн.

Проблемы передачи сигналов

Для каждой из указанных выше длин волн имеется ряд специфических характерис-
тик и факторов, осложняющих передачу оптических сигналов. Эти факторы распадают-
ся на две широкие группы — линейные и нелинейные эффекты. Линейные эффекты воз-
растают в прямой пропорции с увеличением длины кабеля. К основным линейным
эффектам относятся ослабление и дисперсия сигналов. Нелинейные эффекты изменяются
пропорционально мощности сигнала, а не пройденному им расстоянию. Их важность и
налагаемые ими ограничения возрастают при переходе к высокоскоростным сетям. К
распространенным нелинейным эффектам относятся рассеяние и четырехволновое смешение
(four-wave mixing).

Линейные эффекты

Наиболее распространенным линейным эффектом пока является затухание — ослаб-
ление сигналов при их распространении вдоль оптического кабеля. Чтобы понять важ-
ность учета затухания при разработке волоконно-оптических кабелей, давайте вновь
вернемся к рис. 3.9. Обратите внимание на очень высокое затухание в области первого
волнового диапазона и значительно более низкий его уровень в области высших диапа-
зонов. Такое поведение затухания заставило производителей волоконно-оптических
кабелей начать поиск иных, кроме многомодовых кабелей, средств передачи сигналов в
области нижних уровней ослабления сигнала.

Большая величина затухания при меньших длинах волн обусловлена, главным обра-
зом, явлением, называемым рэлеевским рассеянием (по имени английского физика лорда
Рэлея (Rayleigh)), и в меньшей степени — поглощением световых волн. Для выражения
результатов измерений в обоих случаях используются децибелы.

При столкновении фотонов с атомами высвобождаются дополнительные фотоны,
порождающие световое излучение. Этому сопутствуют два других эффекта. Часть све-
товой энергии поглощается, а часть — рассеивается (см. рис. 4.5).

Когда на пути света встречаются частицы, диаметр которых меньше длины световых
волн, они направляют часть света в других направлениях. Причиной этого эффекта в
оптических волокнах являются незначительные вариации плотности стекла, возникаю-
щие в процессе его охлаждения.

Нежелательные последствия рассеяния сильнее всего проявляются при коротких
длинах волн. Так происходит потому, что рэлеевское рассеяние является функцией раз-
меров рассеивающего объекта, отнесенных к длине волны, и именно по этой причине
оптическая связь ограничивается длинами волн свыше 800 нм. Эффективной связи на
более коротких длинах волн препятствует рассеяние.

Рассеяние — не единственное явление, происходящее в рассматриваемых условиях.
Наша способность различать цвета объясняется другим явлением — поглощением, а так-
же, заходя немного далее, отражением света объектами. Количество поглощаемого све-
та определяется свойствами конкретного вещества и длиной световой волны. Обычное
стекло поглощает сравнительно мало света и потому кажется прозрачным. Решающим
шагом в развитии производства кремнеземов высокой чистоты, идущих на изготовле-
ние оптоволоконных кабелей, было исключение из них некоторых примесей, которые
приводили к повышению степени поглощения.

РИСУНОК 4.5

Рэлеевское рассеяние

Свет

’► Рассеянный свет

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... ПОГЛОЩАТЕЛЬНОЙ
СПОСОБНОСТИ ОБЪЕКТОВ

Все объекты поглощают свет, но как рассчитать степень поглощения?

Если на свет влияет только поглощение, используйте следующее уравнение:

(1 - а)° ,

где;

а — доля света, поглощаемая единицей длины волоконно-оптического кабеля,

D — длина кабеля.

Итак, если степень поглощения кабеля составляет 0,5 %, то доля света, продолжающего
распространяться после прохождения 1 м (100 см) должна составлять:

(1 - 0,005),0° = 61 %.

Децибелы — что это такое?

Совокупный эффект поглощения и рассеяния определяет суммарные потери, или
ослабление, светового потока и выражается в децибелах. Децибелы (дБ) — специфичес-
кие единицы измерения, поскольку они выражают величину эффекта лишь косвенным
образом. Потери величиной 5 дБ означают, что от первоначальной мощности остается
немногим более 32 %, а потери в 10 дБ — только 10 % (см. таблицу 4.1).

Таблица 4.1 Примеры определения потерь по значениям,
выраженным в децибелах*___________________________

Потери в децибелах	Процентная доля оставшейся входной мощности
0,1	98 %
0,5	89%
1	79%
2	63%
Потери в децибелах	Процентная доля оставшейся входной мощности
5	32 %
10	10%
20	1 %
50	0 %
* Рассчитано с использованием формулы: оставшаяся мощность = Ю( дБ/,0)	

В таком случае возникает вопрос: а зачем вообще возиться с децибелами? Причина
заключается в том, что без их использования расчеты были бы гораздо более сложны-
мй. При использовании децибела для получения суммарных потерь достаточно просто
сложить затухания.

Иногда производители говорят о децибелах, относя их к какому-то определенному
уровню потерь, а именно: 1 милливатт (1мВт или дБм) или 1 микроватт (1 мкВт или
дБмк). Тогда величины потерь выше этого уровня положительны, ниже — отрицатель-
ны (см. таблицу 4.2).

дБм	мВт	мкВт
0,1	-10	100
0,5	-3	500
1	0	1000
2	3	2000
3	5	5000
9	10	100000

Дисперсия

Другим важным фактором, заметно изменяющим свойства одномодовых и многомо-
довых оптоволоконных кабелей, является дисперсия, в результате которой происходит
размывание светового импульса при его распространении вдоль волокна. Это явление
обусловлено зависимостью скорости распространения светового импульса по волокну
от длины волны и используемой моды. Поскольку длины волн для различных мод не-
значительно отличаются, а также поскольку на длинных отрезках кабеля укладывается
большое число волновых периодов, импульс как бы расползается. Различают четыре
основных типа дисперсии, связанных, соответственно, с многомодовым характером
передачи, зависимостью RI от длины волны, изменениями свойств оптических волокон
в зависимости от длины волны и наличием двух различных поляризаций в случае одно-
модовых волоконно-оптических кабелей.

Модальная дисперсия

Большие размеры центральной жилы в многомодовых кабелях позволяют световым
импульсам использовать для распространения по кабелю несколько путей, или мод. С
помощью уравнений Максвелла, названных так по имени английского физика Джей-
мса Кларка Максвелла (James Clerk Maxwell) (1831-1879), можно рассчитать полное
число мод для многомодового кабеля, иногда достигающее нескольких сотен. Неко-
торые из этих мод проходят через центр кабеля, другие — ближе к его краю, а третьи
могут иметь эллиптическую форму и проходить, нигде и ни в какой момент времени
не пересакая центра кабеля. В силу указанных причин длины путей для каждой из мод
оказываются различными.

Немедленным следствием наличия многочисленных мод с различной длиной пути
является ограничение допустимых расстояний передачи сигнала отрезками длиной около
одного километра. Большие расстояния оказываются невозможными из-за модальной
дисперсии. Поскольку длины различных мод неодинаковы, световые импульсы в случае
коротких мод достигнут приемника быстрее, чем в случае длинных. Так, например,
импульсы могут передаваться каждые 2 нс, но вследствие диспергирования, т.е. размы-
вания, будут приходить к получателю сигнала с интервалом 10 нс, в результате чего на
больших расстояниях сигнал нельзя будет прочесть.

Г	КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ.„МОДАЛЬНОЙ

/ ДИСПЕРСИИ

Мы уже многое узнали о модальной дисперсии, но как же все таки
специалист может рассчитать величину модальной дисперсии для данного канала? Соот-
ветствующая формула выглядит сравнительно просто:

А/ = дисперсия (нс/км) х расстояние (км),
где:

Af — (произносится «дельта-тэ») представляет суммарное расплывание импульса;

дисперсия (нс/км) — величина дисперсии в линии, выраженная в наносекундах на кило-
метр (нс/км);

растояние (км) — длина волоконно-оптического кабеля в километрах.

Тогда для кабеля длиной 100 км и степени дисперсии 8 нс/км суммарная дисперсия со-
ставит 800 нс.

Именно по этой причине и возникает необходимость в волоконно-оптических кабе-
лях с градиентным профилем показателя преломления, в которых значение RI изменя-
ется по сечению кабеля. Постарайтесь себе представить, что в результате этого сопро-
тивление кабеля коротким модам, т.е. тем, которые проходят ближе к его центру,
увеличивается, и тогда вы поймете, что в этом случае все моды получают возможность
прибыть в пункт назначения в одно и то же время. Разумеется, разработать идеальный
градиентный профиль непросто, вследствие чего полное устранение модальной диспер-
сии оказывается весьма затруднительным.

В идеальных условиях моды сохраняют независимость или, как говорят, ортогональ-
ность, по отношению друг к другу. В то же время, в процессе производства оптической
системы любой из факторов может изменить это положение вещей и привести к пере-
скокам энергетических импульсов из одной моды в другую, тем самым связывая моды.
Например, при нарушении юстировки соединений некоторые моды могут получать энер-
гию, предназначенную другим модам. Аналогичным образом, при сплавлении или со-
единении двух волокон разница в показателях преломления может стать причиной пе-
реброски энергии ненужным модам. Микроизгибы на поверхности волокон, вызванные
приложением к кабелю механических усилий, могут изменить величину угла падения
световых импульсов, в результате чего энергия покинет волокно и начнет хаотически
переходить из одной моды в другую.

Последствия этого явления, называемого связыванием мод, носят смешанный харак-
тер. С одной стороны, в результате статистического эффекта связывание мод может
приводить к подавлению модальной дисперсии. При условии, что количество имеющихся
мод достаточно велико, вероятно сглаживание различий в скорости импульсов, в резуль-
тате которого качество сигнала будет улучшаться.

С другой стороны, при использовании высококачественных лазеров связывание мод
приводит к возникновению модальных шумов. Световые источники, используемые для
дальней связи, генерируют очень узкие пучки света. Когда такое световое излучение
вводится в многомодовый волоконно-оптический кабель, выходящие моды первоначаль-
но переносят свет с одной и той же длиной волны и находятся в фазе. Однако после
прохождения уже небольших отрезков кабеля фазировка сигналов по отношению друг
к другу нарушается. При переходах энергии из одной моды в другую происходят стол-
кновения волн, наиболее вероятным результатом которых является деструктивная ин-
терференция и потеря мощности. Если в условиях связывания мод длина волны лазер-
ного излучения хоть ненамного изменится, амплитуда смешанного сигнала испытает
резкое изменение. При встрече таких флуктуационных сигналов с неоднородностями
оптического волокна происходят потери случайных количеств энергии, в результате чего
возникает шум и наблюдается заметное падение мощности сигнала.

Хроматическая дисперсия

В качестве стандартных одномодовых кабелей используются NDSF, поскольку они
позволяют избежать проблем дисперсии и затухания, свойственных многомодовым ка-
белям. В то же время, с NDSF связаны собственные проблемы, обусловленные хрома-
тической дисперсией, являющейся совместным проявлением дисперсии в веществе и дис-
персии в световоде.

Знатоки языков сразу же заметят, что слово «хроматическая» указывает на то, что
этот вид дисперсии связан с цветом или имеет к нему какое-то отношение. Поняв это,
вы могли бы предположить, что хроматическая дисперсия должна означать расплыва-
ние или диспергирование цвета. В этом случае вы были бы недалеки от истины. Любой
световой импульс, как бы точно ни был настроен лазер, содержит в себе целый спектр
волн с различными частотами, которые в случае видимого диапазона мы назвали бы
различными цветами. Эти лучи будут распространяться вдоль оптического кабеля с раз-
личными скоростями, поскольку испытываемое ими сопротивление вещества, для вы-
ражения которого используется показатель преломления RI, оказывается различным для
волн различной длины. Чем больше длина волны, тем больше значение RI. Результатом
всего этого является то, что по мере распространения сигнала вдоль кабеля волновой
пакет расплывается. При достаточно большом расплывании волнового пакета сигнал
становится неразборчивым.

В то же время, на скорость волн различной длины влияние оказывает также диспер-
сия в световоде. Опять-таки, можно было бы предположить, что дисперсия в световоде —
это искажения импульсов, вызываемые факторами, имеющими отношение к характерис-
тикам световода, в данном случае — оптического волокна. Вовсе неплохое предположе-
ние. Говоря более конкретно, при распространении волн по оптическому волокну элект-
ромагнитные поля светового потока проникают в плакировку. Чем больше длина волны,
тем больше перекрытие этих полей с плакировкой.

Не забывайте, что значение показателя преломления RI для центральной жилы ка-
беля как правило выше, чем для плакировки. Поскольку среди волн, проходящих через
плакировку, преобладают волны с большой длиной волны, величина RI для таких волн
оказывается меньшей, и они распространяются по кабелю быстрее.

При определенной длине волны эти два фактора — дисперсия в веществе и диспер-
сия в световоде — взаимно погашают друг друга. И этой длиной волны, как вы, конеч-
но же, догадались, является 1310 нм. Перейдите на эту длину волны, и дисперсия све-
дется к минимуму.

f*КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... РАСЧЕТА СУММАРНОЙ
V1I лН/ ДИСПЕРСИИ

Хроматическая дисперсия представляет основную проблему при исполь-
зовании одномодовых волоконно-оптических кабелей, но как рассчитать степень прояв-
ления этого эффекта и каким образом он сочетается с другими видами дисперсии? Хро-
матическая дисперсия представляет собой суммарный эффект дисперсии в веществе и
дисперсии в световоде. Ее также можно рассчитать, если известно удельное значение
дисперсии из расчета на один километр кабеля, используя следующее уравнение:
AfxpoM = дисперсия (пс/нм/км) х расстояние (км) х спектральная ширина (нм),
где:

А/хром — (произносится «дельта-тэ») представляет суммарную величину дисперсии в линии;
дисперсия (пс/нм/км) — величина дисперсии, выраженная в пикосекундах (пс) на нано-
метр (нм) на километр (км);	ч

расстояние (км) — длина линии в километрах,
спектральная ширина — ширина импульса в нм.

Тогда для системы с рабочей длиной волны 1500 нм, удельной дисперсией 17 пс/нм/км,
длиной кабеля 100 км и спектральной шириной 6 нм суммарная величина хроматической
дисперсии составит 10200 пс.

Определив хроматическую дисперсию, можно вычислить суммарную дисперсию с помо-
щью следующего уравнения:

Д/ =\[?д/ Т2 + бдлд/ р
сумм \ * мод •	' жрем '

где:

AfcyMM — суммарная величина дисперсии ;

А/мод — суммарная величина модальной дисперсии ;

АЛ — ширина импульса в единицах длин волн;

А/хром — суммарная величина хроматической дисперсии.

Поляризационная-модовая дисперсия

В обычных условиях обе поляризационные моды в одномодовых волоконно-опти-
ческих кабелях не взаимодействуют между собой, так что мы говорим лишь об одной
моде. И все же, у любого правила имеются исключения. При определенных условиях, а
именно — при скоростях передачи свыше 2,5 Гбит/с, разница во временах прохожде-
ния двух поляризационных мод становится настолько большой, что импульсы растяги-
ваются, или размазываются. На самом деле это явление, называемое поляризационной
модовой (polarization-mode) дисперсией, несомненно имеет более сложный характер и
обусловлено не просто разницей в скоростях распространения обеих мод, но также ря-
дом случайных факторов, связанных с механическими напряжениями внутри и снару-
жи оптических волокон.

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... PMD

Поляризационная модовая дисперсия (PMD) является единственным
видом модальной дисперсии, представляющим собой серьезную проблему в одномодо-
вых кабелях, да и то лишь в высокоскоростных линиях передачи. Вычисление суммарной
дисперсии с учетом PMD для одномодовых волоконно-оптических кабелей весьма напо-
минает вычисление дисперсии для многомодовых кабелей. Достаточно лишь заменить сум-
марную модальную дисперсию суммарной дисперсией PMD, и мы получим:

Af =\Г(Д/ Р+ бДЛА/ Р
сумм \' поляр '	' хром '

где:

А/сумм “ суммарная величина дисперсии ;

А/поляр “ суммарная величина PMD;

ДА — ширина импульса в единицах длин волн;

А/хром — суммарная величина хроматической дисперсии.

Нелинейные эффекты

Помимо линейных эффектов, таких как затухание и дисперсия, существуют нели-
нейные эффекты, которые возрастают пропорционально интенсивности сигнала, а не
длине волоконно-оптического кабеля. Поскольку эти эффекты зависят от количества
энергии, переносимой через единицу площади сечения, они более заметны в одномо-
довых кабелях, диаметр центральной светопроводящей жилы которых составляет 8 мкм,
чем в многомодовых, для которых этот диаметр составляет 52-62,5 мкм.

Бриллюэновское и рамановское рассеяние

Рэлеевское рассеяние — не единственный вид рассеяния, с которым приходится стал-
киваться проектировщикам сетей. На передачу сигналов в сетях влияние также оказы-
вают, хотя и нелинейным образом, два других вида рассеяния — бриллюэновское и ра-
мановское. (В отечественной литературе последний вид рассеяния предпочитают
называть комбинационным рассеянием. — Прим, перев.)

При бриллюэновском рассеянии в результате влияния акустических волн увеличи-
вается ослабление сигнала на передающей стороне. Вот что происходит в этом случае.
Когда мощность сигнала достигает определенного уровня, он начинает генерировать
акустические колебания. Под воздействием этих колебаний изменяется плотность цен-
тральной жилы, а вместе с ней и показатель преломления RI. Изменения RI могут вы-
зывать рассеяние света, приводя к дополнительной генерации акустических волн.
В конечном счете, вследствие этого эффекта возникают волны с незначительно сме-
щенной частотой, распространяющиеся в обратном направлении к световому источни-
ку, в результате чего сигнал в линии ослабляется. Чем короче длина импульса, тем больше
энергии необходимо для того, чтобы наступило бриллюэновское рассеяние и, таким об-
разом, тем меньше вероятность проявления этого эффекта при высоких скоростях пе-
редачи данных. Избавляясь от распространения оптического сигнала в Обратном направ-
лении в сторону источника света и удерживая уровень мощности узкополосных лазерных
источников в определенных пределах, эффект бриллюэновского рассеяния удается уст-
ранять.

Характер комбинационного рассеяния иной. Иногда световые волны могут погло-
щать из атомов дополнительную энергию. В частности, при столкновении волн с ко-
леблющимся атомом свет может поглотить энергию атомных колебаний. Результатом
этого является не только рассеяние света, но и изменение длины световой волны.

Для того чтобы начало происходить комбинационное рассеяние, требуется больше
энергии, чем в случае рэлеевского рассеяния. В результате комбинационного рассеяния
между двумя волнами могут возникать перекрестные помехи. При подходящем выборе
используемых длин волн влияние комбинационного рассеяния может быть уменьшено.
В то же время, этот эффект ограничивает использование волоконно-оптических линий
со многими усилителями и заметнее проявляется при более коротких длинах волн, не-
жели при длинных.

Четырехволновое смешение

По мере того как провайдеры стали переходить к использованию механизмов EDFA
и DWDM, еще одно явление привлекло к себе внимание и, в конечном счете, привело
к отказу от использования кабелей ZDF в сетях общего пользования — четырехволновое
смешение (four-wave mixing). И EDFA, и DWDM — оба используют третий диапазон
передачи. В EDFA сигнал усиливается невзирая на шум или иные факторы, создающие
помехи, а оборудование DWDM разделяет линию на несколько узких каналов, отделен-
ных друг от друга участками полосы пропускания фиксированной ширины. Данные
передаются по каждому из этих подканалов, в результате чего производительность ли-
нии увеличивается.

Проблема состоит в том, что в результате комбинирования двух или трех сигналов
может создаваться третья или даже четвертая волна (отсюда и название). В тех случаях,
когда каналы отделены друг от друга эквидистантными частотными интервалами, эта
новая волна вызывает перекрестные помехи, «садясь» на существующий канал. Если же
промежутки, отделяющие каналы друг от друга, имеют разную ширину, то четырехвол-
новое смешение вызывает появление шумов между каналами.

Как это ни парадоксально, избавиться от этой проблемы можно с помощью хрома-
тической дисперсии. На выходе лазеров, используемых в одномодовых системах пере-
дачи данных, получается когерентное световое излучение, в котором сигналы находят-
ся в фазе по отношению друг к другу. Поэтому, когда сигналы распространяются вдоль
волоконно-оптического кабеля и в конечном счете комбинируют между собой, они об-
разуют новую волну. Этому эффекту противодействует дисперсия, обеспечивающая ус-
ловия, при которых согласованность фаз сигналов не может сохраняться после прохож-
дения ими больших расстояний. Применительно к волоконно-оптическим кабелям ZDF
проблема усугубляется тем, что в этом случае предприняты меры к устранению диспер-
сии как раз в тех диапазонах, в которых работают DWDM и EDFA. Именно в связи с
рассматриваемой проблемой и появились кабели NZDF, допускающие наличие умерен-
ного проявления дисперсии в оптоволоконном кабеле.

Резюме

Волоконно-оптический кабель состоит из пяти основных компонентов — внешней
защитной оболочки, слоя упрочняющего материала, внутреннего покрытия, плакиров-
ки и центральной светопроводящей жилы.

Свет распространяется вдоль центральной жилы, отражаясь от плакировки по меха-
низму полного внутреннего отражения. Это оказывается возможным лишь благодаря
тому, что показатель преломления центральной жилы (RI) превышает показатель пре-
ломления плакировки.

Существует два основных типа волоконно-оптических кабелей — многомодовые и од-
номодовые. Центральная жила многомодовых волоконно-оптических кабелей имеет срав-
нительно большую толщину, что позволяет свету распространяться вдоль оптических
волокон, следуя многими путями, или модами. Одномодовые волоконно-оптические
кабели характеризуются намного меньшим диаметром, вследствие чего существует лишь
один эффективный путь, или мода, по которому свет может распространяться.

Способность многомодовых кабелей собирать световой поток измеряется числовой апер-
турой} в одномодовых кабелях для этой цели используется понятие «диаметра поля моды».

Существует два типа многомодовых волоконно-оптических кабелей — со ступенча-
тым и градиентным профилями показателя преломления. Они отличаются между собой
способом распространения света вдоль различных мод. В волоконно-оптических кабе-
лях со ступенчатым профилем показателя преломления RI он имеет одно и то же значе-
ние для всех мод, так что на больших пролетах кабеля свет, распространяющийся вдоль
коротких мод, достигает приемника гораздо быстрее, чем свет, распространяющийся
вдоль длинных мод. В волоконно-оптических кабелях с градиентным профилем пока-
зателя преломления значение RI различно для различных мод, и поэтому световой по-
ток, распространяющийся как по длинным, так и по коротким модам приходит к при-
емнику почти одновременно.

Существует два широких класса одномодовых кабелей — волокно с несмещенной дис-
персией (NDSF) и волокно со смещенной дисперсией (DSF). В кабелях NDSF, или стан-
дартных волоконно-оптических кабелях, центральная жила с целью увеличения допус-
тимой длины пролета кабеля имеет ступенчатый профиль показателя преломления. В
кабелях DSF характеристики оптического волокна изменяются таким образом, чтобы
противодействовать дисперсии импульсов. В кабелях со смещенной нулевой дисперси-
ей (ZDSF) показатель преломления RI изменяется таким образом, чтобы исключить
дисперсию сигнала, но они не могут использоваться в системах DWDM или EDFA. В
кабелях кабелях со смещенной ненулевой дисперсией (NZDSF) вводится номинальная
степень дисперсии, обеспечивающая возможность их работы в системах DWDM и EDFA.

Существует семь диапазонов передачи данных. Многомодовые кабели используются
лишь для работы в первых двух диапазонах с длинами волн около 850 и 1300 нм соответ-
ственно. Кабели NDSF используют второй диапазон — примерно 1310 нм. Кабели ZDSF
используют пятый диапазон с длиной волны примерно 1550 нм, но не могут работать в
режиме DWDM. Кабели NZDSF используются для работы в различных диапазонах. Все
они могут использовать пятый диапазон и работать с механизмом DWDM; при этом не-
которые из них используют также второй, третий, шестой и седьмой диапазоны.

Существует два основных типа эффектов, оказывающих влияние на передачу дан-
ных. Линейные эффекты, а именно — затухание и дисперсия, растут пропорционально
длине кабеля. Нелинейные эффекты, такие как бриллюэновское и комбинационное рас-
сеяние или четырехволновое смешение, изменяются пропорционально мощности сиг-
нала, а не пройденному сигналом расстоянию.
Глава 5

Оптические компоненты

В этой главе ...

•	Полупроводники

•	Детекторы

•	Усилители

•	Мультиплексоры с разделением волн

•	Фильтры

•	Оптоволоконные решетки Брэгга

•	Другие компоненты

•	Резюме

Волоконно-оптическая сеть — это не просто совокупность волоконно-оптических
кабелей. Даже простейшие сети нуждаются в световых источниках для генерации света,
который будет распространяться по оптоволоконному кабелю, а для приема этих сиг-
налов нужны детекторы. Большинство же сетей устроены гораздо сложнее, и в них тре-
буется установка самого различного оборудования, с помощью которого, причем не
только во время путешествия сигналов по кабелям, но еще и до его начала и по оконча-
нии, световые сигналы будут передаваться и приниматься, усиливаться, смешиваться,
согласовываться, сортироваться и очищаться от шумов.

При передаче сигналов на большие расстояния на первый план выступает задача
сохранения различимости сигналов, что вынуждает провайдеров использовать усилите-
ли и регенераторы. Ответвители (couplers) позволяют соединять между собой волокон-
но-оптические кабели, а интерферометры служат для измерения количества света, па-
дающего на какую-либо поверхность. Этот терминологический букет становится еще
более разнообразным после добавления к нему оптических вентилей, циркуляторов,
фильтров и решеток. Со всем этими элементами мы познакомимся поближе в процессе
рассмотрения работы нижних уровней современных оптических сетей.

Полупроводники

Большинство оптических компонентов попадает в категорию полупроводников —
специфических материалов, занимающих некое промежуточное положение между про-
водниками, наподобие металлов, которые проводят электрический ток, и изоляторами,
наподобие стекла или пластмассы, которые этим свойством не обладают. Проводимость
полупроводников составляет лишь малую толику (примерно одну миллионную часть)
проводимости металлов, но намного больше проводимости изоляторов.

Разница в поведении этих веществ обусловлена свойствами внешних электронов и
тем, насколько прочно они связаны с атомами. В металлах внешние электроны каждого
атома делокализованы. Они могут свободно перемещаться по всему объему материала,
тем самым наделяя металлы высокой проводимостью, а благодаря их способности ко-
лебаться при столкновении со световыми волнами металлы приобретают характерный
металлический блеск (см. рис. 5.1). В то же время, в изоляторах электроны прочно зах-
вачены отдельными парами атомов; поэтому они не могут свободно перемещаться и
переносить электричество (см. рис. 5.2).

РИСУНОК 5.1

В металлах атомы располагаются в виде регулярных структур, называемых кристаллами, и
окружены облаками, образованными свободно перемещающимися электронами.

о°%_° р-р р-
-о°-о_° Р Р _О
o-Бo-o^ ° °
. _ _°-о_о о о о
Г Q-Q-Q-g-O-0'-0'-0

О - 0-0

РИСУНОК 5.2

В случае изоляторов электроны прочно связаны с атомами вещества. В результате этого
возможность перемещения зарядов при приложении электрического поля отсутствует.

С другой стороны, полупроводники являются кристаллическими веществами, занима-
ющими по проводимости некое промежуточное положение между металлами и изолято-
рами. Внешние электроны в полупроводниках локализованы, но некоторые из них, точ-
ное количество которых зависит от их энергии внутри данного вещества, делокализованы.
Они обладают достаточной энергией для того, чтобы покинуть свои атомы и перемещать-
ся по кристаллической структуре, в результате чего в атоме образуется дефицит энергии,
называемый дыркой, и атом приобретает положительный заряд (см. рис. 5.3).

Полезным здесь является то, что путем ввода в полупроводник примесей — процесс,
который называется легированием, — ему можно сообщать электрический заряд. К по-
лупроводникам «-типа относятся материалы с такими добавками, как азот, внешняя обо-
лочка которых после связывания их с кремнием содержит избыточный электрон, в
результате чего указанное сочетание атомов приобретает отрицательный (negative) за-
ряд. С другой стороны, полупроводники p-типа легируются такими элементами, как бор.
После связывания с кремнием в атоме бора остается дырка, в результате чего материал
приобретает положительный (positive) заряд.

О | О О О Ю/ О\ О
а О О* О ^О* О О
Ь 0.0 о о-> О I О

п , о4 О -*-О о О _
0^01 Оу о*]

РИСУНОК 5.3

Полупроводники представляют собой нечто среднее между проводниками и изоляторами. В этом
случае некоторые электроны имеют возможность свободно перемещаться внутри кристалла, так
что при приложении электрического поля возникает направленное перемещение электронов.

Источники света

Соединив между собой эти два материала — полупроводники л- и p-типа, в месте
контакта которых образуется слой, называемый р-л-переходом, мы получим диод, яв-
ляющийся основой светоизлучающих диодов (light emitting diode — LED), или просто —
светодиодов, используемых в системах локальной связи, и лазеров (LASER — Light
Amplification by the Stimulated Emission of Radiation), или оптических квантовых генера-
торов, которые используются в оптических подсистемах сетей общего пользования.

Давайте рассмотрим этот вопрос более детально. При приложении к р-л-переходу
электрического напряжения дырки полупроводника p-типа и электроны полупроводника
л-типа начинают перетекать в направлении перехода и рекомбинировать между собой.
В результате электроны переходят на низкорасположенные энергетические уровни, от-
давая при этом энергию, которую мы называем светом, в ходе процесса, называемого
спонтанным излучением (см. рис. 5.4).

РИСУНОК 5.4

При падении электрона с верхнего
энергетического уровня на нижний
высвобождающаяся энергия
излучается в виде фотона и волны.

Низкая энергия i'

Точное значение длины волны излучаемого света зависит от используемого матери-
ала. Арсенид галлия (GaAs), например, излучает волны красного цвета (620-700 нм), тогда
как фосфид галлия (GaP) — зеленого (примерно от 599 до 578 нм). Смешивая в различ-
ных пропорциях индий и галлий, можно получать свет с различными длинами волн,
используемых в оптической связи. Комбинированный арсенид индия и галлия (InGaAs)
излучает свет в ближней инфракрасной области с длиной волны 1300 нм. Комбиниро-
ванный арсенид-фосфид индия и галлия (InGaAsP) излучает свет с большей длиной
волны, равной 1700 нм. Точной настройки на определенную длину волны можно до-
биться, используя гетеропереходы, т.е. переходы, образованные существенно различа-
ющимися между собой материалами (см. рис. 5.5).

С другой стороны, в лазерах возможность спонтанного излучения предотвращают
путем размещения полуотражающего слоя (с отражательной способностью примерно
70 %) по обе стороны перехода, в результате чего образуется так называемый лазерный
резонатор. Теперь, когда электроны переводятся в высшие энергетические состояния, ре-
зультирующие фотоны не смогут покинуть этот объем и будут удерживаться в нем, на-
талкиваясь на другие атомы, находящиеся в лазерном резонаторе, испуская при этом
дополнительные фотоны, в результате чего будет развиваться процесс, называемый сти-
мулированным излучением. Все это время напряжение подается на р-и-переход, приво-
дя к рекомбинации электронов и дырок, что сопровождается испусканием дополнитель-
ных фотонов.

Если на какое-то время вновь вернуться к волновой точке зрения, то можно сказать,
что развиваться может лишь излучение с частотами, способными резонировать в лазер-
ном резонаторе, тогда как остальные виды излучения затухают. Это означает, что все
выжившие фотоны будут обладать одинаковыми характеристиками.

РИСУНОК 5.5

Свойства LED в основном определяются свойствами переходной области между полупроводником р-
типа и полупроводником п-типа. При приложении к полупроводникам электрического напряжения
электроны и дырки перетекают в область перехода, где в результате их рекомбинации испускается
световое излучение.

В некоторый момент времени система переходит в состояние, называемое состоянием
с инверсной заселенностью, в котором в возбужденном состоянии пребывает большее число
атомов, чем в основном состоянии. В этот момент фотоны могут проходить через полуот-
ражающий слой, что приводит к испусканию интенсивного, почти монохроматического
когерентного светового пучка, т.е. такого пучка, в котором волны находятся в фазе.

4 Зак. 774 .
Будучи эффективными при связи на коротких расстояниях и довольно недорогими
LED обладают целым рядом недостатков, препятствующих их использованию в обще
доступных сетях. Излучаемый возбуждаемыми р-и-переходами свет представлен боле<
широким интервалом длин волн по сравнению с лазерным излучением. Это ограничи-
вает величину расстояния от передатчика, на котором сигнал все еще можно прочитать
поскольку модальная дисперсия приводит к наползанию битов сигналов друг на друга f
становится основной проблемой в случае протяженных расстояний. Более того, свет,
излучаемый LED, является диффузным, так что расстояния, на которых он оказывается
ослабленным, оказываются более короткими по сравнению с лазерами, которые излу-
чают когерентный свет.

Семейство лазеров

Только что описанный режим работы свойствен обычным лазерам Фабри-Перо.
Существует большое число лазеров других типов, которые можно классифицировать по
целому ряду критериев. Мы воспользуемся двумя из них: направлением, под которым
свет покидает лазерный резонатор, и рабочей длиной волны.

Большинство современных лазеров излучает свет в боковом направлении в соответ-
ствии с приведенным нами описанием. К числу лазеров этого типа, называемых попе-
речными (доковыми) излучателями (edge emitter), относятся лазеры Фабри-Перо, а так-
же лазеры с распределенной обратной связью (Distributed Feedback Lasers — DFL), лазеры
на распределенных отражательных решетках Брэгга (Distributed Bragg Reflector — DBR),
неодимовые лазеры и волоконные лазеры.

Лазеры Фабри-Перо — не совсем монохроматические. Их сигнал состоит из волн,
покрывающих некоторый интервал. Более точную монохроматизацию пучка удается по-
лучить с помощью лазеров DFL, которые содержат дополнительную по сравнению с кон-
струкцией лазеров Фабри-Перо отражательную дифракционную решетку (см. рис. 5.6).
Решетка наносится, или распределяется, по всей внутренней части резонатора между по-
лупроводниковыми поверхностями и пропускает лишь волны нежелательной частоты.
В итоге в лазерном резонаторе развивается только излучение нужной частоты, в резуль-
тате чего создается монохроматический световой пучок. Лазеры DBR имеют аналогич-
ный принцип действия, если не считать того, что решетка в этом случае наносится сна-
ружи лазерного резонатора. Хотите плохую новость? Вследствие дополнительной
сложности конструкции стоимость более точных лазеров может превышать стоимость
лазеров Фабри-Перо в сотни раз.

В тех случаях, когда требуются мощные лазеры, сигналам которых предстоит, напри-
мер, преодолевать Атлантику, применяют неодимовые лазеры. Резонатор в этих лазе-
рах изготовляется из высокопрочного материала, такого как YAG (алюмоиттриевый
гранат) или YLF (алюмофторид лития), легированного неодимом и помещенного меж-
ду двумя зеркалами. Материал твердотельного резонатора возбуждается внешним све-
товым источником, а не электронной энергией, в результате чего получается световой
пучок высокой интенсивности.
Зеркала

РИСУНОК 5.6

В конструкции лазеров Фабри LED дополнены парой полуотражающих слоев (зеркал). При
испускании фотонов последние испытывают многократные отражения внутри резонатора
(пространство между зеркалами), что приводит к излучению интенсивного когерентного светового
пучка. Фотоны с иной длиной волны ослабляются, так что излучаемый пучок света принадлежит
узкому частотному диапазону.

Аналогичная идея используется в волоконных лазерах, в которых отрезок волокна из
обычного кремния легируется эрбием и помещается между двумя полуотражающими сло-
ями. При подводе энергии путем накачки света с малой длиной волны ионы эрбия испус-
кают фотоны с длиной волны 1550 нм. В результате многократного отражения света меж-
ду зеркалами генерируется когерентное оптическое излучение с длиной волны 1550 нм,
которое идеально подходит для передачи сигналов на большие расстояния. Как мы далее
увидим, волокна, легированные эрбием, используются также в качестве усилителей.

VCSEL

Вторая категория лазеров, образуемая полупроводниковыми лазерами с вертикально
излучающим резонатором (более точно: лазеры поверхностного излучения с вертикаль-
ным объемным резонатором; vertical cavity surface-emitting lasers — VCSEL), характери-
зуется излучением света в направлении перпендикулярно поверхности электродов —
отсюда и словосочетание «вертикальное излучение» в названии. Подобно другим полу-
проводниковым лазерам, лазеры VCSEL по существу представляют собой р-л-перехо-
ды. При протекании тока через р-л-переход дырки и электроны рекомбинируют, испус-
кая фотоны. В данном случае в качестве каждого из «зеркал» используется несколько
слоев из полупрозрачного материала, число, толщина и состав которых определяют длину
волны излучаемого лазерного пучка (см. рис. 5.7).

По сравнению с поперечными излучателями у лазеров VCSEL имеются некоторые
преимущества. Они гораздо проще в изготовлении. Поперечные излучатели необходи-
мо сначала вырезать из соответствующего материала, затем поместить в корпус, и лишь
после этого их можно тестировать. В то же время, лазеры VCSEL можно тестировать
уже тогда, когда они только помещены на пластину-носитель, на которой осуществля-
ется их сборка. Выявление проблем уже на стадии сборки позволяет в случае обнаруже-
ния дефектов избежать бесполезных дорогостоящих операций корпусирования изделий.
Кроме того, VCSEL более эффективны и потребляют меньше энергии по сравнению с
боковыми излучателями. Они вырабатывают меньше тепла, требуют меньшего внима-
ния в вопросах теплоотвода и обычно служат дольше. Наконец, подобно другим типам
лазеров, лазеры VCSEL допускают высокоскоростную модуляцию, благодаря чему они
позволяют генерировать сигналы со скоростью более 1 Гбит/с.

Излучаемый
лазером свет

Подложка из материала
n-типа, прозрачная
для лазерного
излучения

Многослойное
зеркало -----

Переходной
слой

Многослойное
зеркало из
материала
р-типа

Контакт

РИСУНОК 5.7

Лазер с вертикальным направлением излучения.

Доступные в настоящее время лазеры VCSEL изготовляются из арсенида галлия
(GaAs) и излучают свет в волновом диапазоне примерно от 750 до 1000 нм. Длины волн
этого диапазона недостаточно велики для того, чтобы можно было передавать сигналы
по волоконно-оптическим кабелям на большие расстояния, поэтому VCSEL использу-
ют не столько для дальней связи, сколько в LAN, развернутых в пределах одного зда-
ния или, скажем, в пределах университетского городка, в которых интенсивный обмен
информацией осуществляется на небольших расстояниях.

Настройка

Сегодня большинство лазеров может работать лишь на одной частоте или длине вол-
ны. Существуют настраиваемые лазеры, допускающие регулировку длины волны излу-
чаемого света. Если в обычных лазерах размеры резонатора и показатель преломления
имеют фиксированные значения, в результате чего выходной световой пучок принад-
лежит фиксированному частотному диапазону, то в настраиваемых лазерах характерис-
тики резонатора можно регулировать для создания излучения с заданными частотами.
Конкретный же способ регулирования характеристик светового резонатора зависит от
варианта реализации.
Один из подходов состоит в физическом увеличении или уменьшении размеров сте-
нок резонатора. Эта идея воплощена в лазерах с внешним резонатором. Однако вслед-
ствие сложности своей конструкции такие лазеры больше пригодны для лабораторных
испытаний, нежели для реальной работы.

Более практичным способом достижения того же самого результата является исполь-
зование пьезоэлектрических материалов. В пьезоэлектриках механические напряжения
преобразуются в электрические и наоборот. В результате приложения к пьезоэлектри-
ческому материалу электрического напряжения в нем возникает механическое напря-
жение, под воздействием которого размеры пьезоэлектрика, а с ними, как правило, и
показатель преломления, изменяются.

Модуляция

Чтобы сигналы могли нести с собой информацию, их необходимо модулировать. В
современных оптических системах используется весьма простой тип модуляции, а имен-
но — амплитудная манипуляция с переключением (on-off keying), при которой сигнал
либо присутствует (единица), либо отсутствует (нуль). Проблема заключается в том,
чтобы сделать этот переход достаточно быстрым, чтобы его можно было использовать
для передачи данных на предельно высоких скоростях.

При непосредственной модуляции (direct modulation) управление включением и вык-
лючением светового источника может осуществляться путем изменения проходящего
через него тока. В случае высоких скоростей передачи применение этого подхода со-
пряжено с определенными трудностями:

•	Уровень выходной мощности, которую лазеры способны развивать, ограничен, что
налагает свои ограничения на величину расстояния между усилителями.

•	Скорость модуляции также оказывается ограниченной, что приводит к ограниче-
ниям на производительность сети.

•	Непосредственная модуляция снижает различимость сигналов, т.е. разницу меж-
ду высокоуровневым (единичный бит — ON) и низкоуровневым (нулевой бит —
OFF) световыми сигналами, в результате чего величина допустимого расстояния
между приемником и передатчиком также снижается.

•	Возникающие нелинейные эффекты могут приводить к искажению аналоговых
сигналов, используемых в сетях кабельного телевидения.

•	Наконец, непосредственная модуляция увеличивает паразитную модуляцию длины
волны, дополнительно увеличивая отрицательное влияние различных .видов дис-
персии, которые обсуждались в главе 4. Паразитная модуляция длины волны про-
является в быстром изменении длины центральной световой волны лазера, выз-
ванном изменением показателя преломления с увеличением или уменьшением
пропускаемого через лазер тока.

На скоростях свыше 1 Гбит/с провайдеры используют внешние модуляторы. Так,
принцип действия электрооптических модуляторов основан на электрооптическом эф-
фекте, суть которого заключается в изменении показателя преломления некоторых ма-
териалов под воздействием приложенного к ним электрического поля. Уменьшение RI
повышает скорость распространения света, увеличение RI — снижает.
В этих модуляторах свет расщепляется на два световодных канала. Если необходимо
послать сигнал (ON), к обоим каналам прикладывается одинаковое напряжение. Если
же необходимо выключить сигнал (OFF), то напряжение к ним прикладывается таким
образом, чтобы в результате изменения показателя преломления RI фаза сигнала в од-
ном канале оказалась смещенной по отношению к фазе сигнала в другом канале на 180
градусов. При объединении сигналов происходит их деструктивная интерференция, они
взаимно погашают друг друга, результатом чего является отсутствие сигнала (OFF7).
Действительная картина процесса гораздо сложнее и включает в себя использование
электрического напряжения различной полярности, однако общие закономерности при-
веденное описание передает правильно.

Детекторы

Если лазеры и LED излучают свет, то детекторы ... г-м!... детектируют его. Фотоде-
текторы размещаются в приемных устройствах оптического механизма сети, позволяя
оборудованию преобразовывать сигналы из оптической формы в электрическую.

Достигается это за счет такого расположения полупроводникового материала, чтобы
он был обращен в сторону световода. Световой импульс распространяется по световоду
и сталкивается с этим материалом. Электроны, слабо удерживаемые на внешних обо-
лочках атомов полупроводника, выбиваются из них и переходят в свободное состояние,
создавая электрический ток. Чем больше интенсивность падающего на материал излу-
чения, тем большей величины ток протекает через него (см. рис. 5.8).

Под воздействием
энергии пада-
ющих фотонов
в обедненном
слое образуются
электронно-
дырочные
пары	__

Область п

Область р

Обедненный слой

Падающий
свет

Область п - область полупроводника л-типа

Область р - область полупроводника р-типа

РИСУНОК 5.8

Принцип работы фотодетектора.

Какой именно величины ток вырабатывается детектором, зависит от свойств матери-
ала. Если световой источник слишком слаб, приемник не будет работать. Спектральный
диапазон, в пределах которого может приниматься сигнал, также является функцией ма-
териала, примененного в детекторе. Кремний пригоден для детектирования света в диа-
пазоне длин волн 400-1100 нм; для арсенида галлия этот диапазон оказывается примерно
тем же (400-1000 нм). При больших длинах волн (800-1600 нм) используется германий,
тогда как InGaAs и InGaAsP особенно пригодны для детектирования оптических сигна-
лов в ближней инфракрасной области, используемой в телекоммуникационных каналах.

Также важным представляется рассмотрение двух других характеристик детекторов.
В качестве характеристики быстроты реакции детектора на изменения интенсивности
входного светового потока используется время отклика, которое определяет, насколько
быстро данное устройство может отслеживать поступающие сигналы или на какой час-
тоте оно может работать. Критическое значение имеют шумовые характеристики. Так,
фотодетекторы нередко регистрируют ложные сигналы, генерируемые в результате теп-
ловых эффектов. Учет этих факторов особенно важен при определении минимального
уровня входного светового сигнала, при котором данное устройство еще способно обес-
печивать нормальную работу.

Усилители

На расстоянии сигналы затухают. Эта истина справедлива и для электрических, и для
оптических коммуникационных линий. Разумеется, в случае оптических сетей расстоя-
ния, на которых это начинает проявляться, больше, однако проблемы по-прежнему су-
ществуют.

Для борьбы с указанными проблемами используют три типа устройств: усилители,
регенераторы и повторители. Оптические усилители ведут себя одинаковым образом по
отношению к любым оптическим сигналам и наряду с детектируемыми сигналами уси-
ливают также шумы и любые другие сигналы. Обычно усилители решают простейшую
из задач, связанных с восстановлением сигналов, — усиление (см. рис. 5.9). Регенерато-
ры выполняют более сложную задачу — они детектируют оптические сигналы, преоб-
разуют их в электронные сигналы, отделяют от них шумы и вновь ретранслируют в виде
оптических сигналов, обычно с использованием электронных устройств. Повторители

отггическля 'Волезнь <ура
занимают некоторое промежуточное положение между оптическими усилителями и
регенераторами. Они также являются электрооптическими устройствами, однако обес-
печивают лишь усиление и реформирование сигнала, но не его полное восстановление.
С приходом полностью оптических усилителей использование повторителей в оптичес-
ких сетях перестало быть повсеместным.

Исходный	Искаженный

импульс	импульс

Усиленный
импульс

Усиление и восстановление формы сигнала

Исходный	Искаженный	Усиленный

импульс	импульс	импульс

Импульс с
востановленной
формой

Усиление, восстановление формы и регенерация сигнала

Исходный	Искаженный

импульс	импульс

Усиленный
импульс

РИСУНОК 5.9

Сопоставление процессов усиления и регенерации.

Импульс с
востановленной
формой

Импульс с
востановленной
синхронизацией

Существует три типа участков сети, на которых могут располагаться усилители. Для
усиления сигнала перед тем, как он поступит в сеть, непосредственно за передатчиком
устанавливаются постусилители. Для компенсации ослабления сигналов через каждые
80-100 км волоконно-оптической линии устанавливаются линейные усилители. Преду-
силители, назначением которых является усиление сигнала до уровня мощности в пре-
делах чувствительности приемного устройства, размещаются непосредственно перед
приемником (см. рис. 5.10).

Усилители являются устройствами, увеличивающими амплитуду и ширину сигналов без
искажения их первоначальной формы. Громкоговоритель — тоже усилитель, только аку-
стический; аналогичным образом оптические усилители выполняют подобные функции в
случае оптических сигналов. Усилители способствуют поддержанию мощности сигналов
на должном уровне при прохождении ими больших расстояний. К сожалению, они не
отличаются разборчивостью и наряду с сигналами усиливают также шумы и искажения.

Какой именно принцип работы усилителей используется, определяется их конструкци-
ей. В современных оптических коммуникационных системах наиболее распространены уси-
лители на оптических волокнах, легированных эрбием (Erbium-Doped Fiber Amplifiers —
EDFA). Эрбий — это редкоземельный элемент, который в небольших количествах добавля-
ется в центральную кремниевую жилу волоконно-оптического кабеля. В отрезок волокна,
легированный эрбием, во время прохождения через него ослабленного сигнала вводится,
или накачивается, излучение с другой длиной волны, отличной от длины волны сигнала,
что препятствует их интерференции между собой. В ответ на проходящий по волокну сиг-
нал ионы эрбия начинают резонировать, используя избыточную энергию дополнительной
волны. В итоге ионы эрбия усиливают сигналы, тем самым увеличивая расстояние, на ко-
торое они могут распространяться (см. рис. 5.11).

РИСУНОК 5.10

Усиление сигналов происходит на участках сети трех типов — после передачи сигналов
(постусиление), в процессе прохождения сигналами линии (линейное усиление) и перед приемом
сигналов (предусиление). Усилители устанавливаются в тех точках сети, в которых уровень сигнала
приближается к порогу чувствительности приемников.

РИСУНОК 5.11

Конструкция усилителя на оптических волокнах, легированных эрбием.

В то же время, инжектирование возбуждающего излучения накачки может приводить
к нежелательным последствиям. Распространение этого излучения в направлении лазе-
ра навстречу сигналу может вызвать появление шумов. Чтобы избежать этого, приме-
няют оптические вентили. Вентили пропускают распространяющийся по кабелю свет в
одном направлении, но не пропускают в обратном направлении.

Все прекрасно? Не совсем так. Оптический вентиль будет взаимодействовать с пото-
ком света, распространяющимся в прямом направлении, и в типичных случаях ухудшать
сигнал примерно на 2 децибела. Кроме того, некоторое количество света будет прохо-
дить и в обратном направлении, однако обычно такой свет будет на 40-50 децибел сла-
бее входного сигнала.

В то же время, в случае усилителей EDFA радует то, что они сравнительно дешевы,
весьма эффективны, обладают высокой выходной мощностью при низком уровне шу-
мов и минимальными перекрестными помехами между соседними волокнами. Если у
них и есть недостаток, так это то, что они эффективны лишь при работе в ближней
инфракрасной области на длинах волн около 1550 нм.

Сигналы с более низкими частотами можно усиливать, легируя волокна другим эле-
ментом — празеодимием, в результате чего получаются усилители на оптических волок-
нах, легированных празеодимием (Praseodymium-Doped Fiber Amplifiers — PDFA). Эти
усилители перспективны для усиления сигналов, передаваемых с использованием длины
волны около 1300 нм. Аналогичным образом, рамановские усилители эффективно функ-
ционируют на длинах волн 1300,1400 и 1500 нм. Весьма многообещающе применение этих
усилителей в системах передачи цифровых данных, использующих мультиплексирование
по длине волны высокой плотности (dense wavelength division multiplexing — DWDM).

Принцип действия рамановских усилителей основан на эффекте Рамана, открытом
индийским физиком сэром Чандрасекара Венката Раманом в 1928 году. Как мы уже
отмечали при обсуждении рамановского рассеяния в главе 4, эффект Рамана заключа-
ется в изменении наблюдаемой частоты света при его рассеянии в прозрачном матери-
але. (Явление комбинационного рассеяния света было открыто советскими физиками
Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом на кристаллах и одновременно индийскими
физиками Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном на жидкостях. — Прим, перев.)

Мы можем увидеть этот эффект, наблюдая, например, за монохроматическим све-
товым пучком, полученным с помощью лазера, при его прохождении через прозрачный
газ, жидкость или твердое тело. В отсутствие промежуточных веществ лазерное излуче-
ние было бы одноцветным. Однако при столкновении света с веществом фотоны в ре-
зультате упругих столкновений с молекулами прозрачного вещества теряют или выиг-
рывают энергию. Следствием этого является возникновение линий дополнительных
цветов, называемых рамановским спектром, соответствующих увеличенным или умень-
шенным длинам волн по сравнению с длиной волны первоначального излучением. Вид
этого спектра зависит от природы вещества, рассеивающего свет.

Поскольку рамановский спектр не привязан к фиксированным энергетическим уров-
ням, как в случае редкоземельных элементов, таких как эрбий, он может быть получен
на любой длине волны в инфракрасной области, коль скоро имеется источник необхо-
димого возбуждающего излучения. Эта особенность позволяет применять рамановские
усилители во всем диапазоне передачи кремниевых волоконно-оптических кабелей.

Поскольку для усилителей, в которых используется рамановский эффект, требуются
повышенные мощности возбуждающего излучения (порядка одного ватта) и отрезки
световодного кабеля большей длины, их стоимость по сравнению с усилителями EDFA
оказывается более высокой. Тем не менее, их главным достоинством является способ-
ность обеспечить усиление оптических сигналов во всем диапазоне возможных частот
передачи при использовании волоконно-оптических кабелей с низкими потерями, и
поэтому на них может быть построена технология кремниевых усилителей, альтерна-
тивных PDFA или халькогенидным волоконно-оптическим усилителям в диапазоне 1,3
мкм. Благодаря недавним усовершенствованиям технологии получения «активных» во-
локон использование некоторых из них позволило получить усиление по мощности,
достигающее примерно 0,06 дБ/мВт, что, будучи само по себе незначительной величи-
ной по сравнению с известными величинами для EDFA (11 дБ/мВт), тем не менее пред-
ставляет собой вполне разумную альтернативу при передаче данных в «не-эрбиевых»
диапазонах длин волн. На сегодняшний день усиление на основе эффекта Рамана игра-
ет важную роль в системах сверхдальней связи, которые расширили возможности пере-
дачи на дальние расстояния с 500 км между соседними повторителями до 1500 км и более.

Мультиплексирование с
разделением длин волн

Задача усилителей — увеличение расстояний, на которые могут быть переданы оп-
тические сигналы. Задача мультиплексоров с волновым разделением — как можно боль-
шее увеличение пропускной способности существующих оптоволоконных кабелей. За
счет объединения лазеров с разнообразным набором всевозможных фильтров и реше-
ток мультиплексоры с разделением волн способны увеличить пропускную способность
волоконно-оптических кабелей в сотни раз.

Создание множественных маршрутов распространения сигналов имеет чрезвычайно
большое значение, поскольку для любой системы передачи данных всегда наступает
момент, когда ее резервы исчерпываются и начинают сказываться ограничения, обус-
ловленные конечностью скорости света или текущим состоянием электроники. Созда-
вая множество параллельных каналов передачи, можно повысить пропускную способ-
ность сети без привлечения каких бы то ни было гипотетических супермеханизмов или
чего-либо другого в этом роде.

Как мы уже видели в главе 2, суть идеи мультиплексирования с разделением длин
волн (wave-division multiplexing — WDM) заключается в упаковке, или мультиплекси-
ровании, сигналов, поступающих по отдельным кабелям, в единственный кабель. Часто
можно слышать, как применительно к данной ситуации говорят о смешении световых
сигналов различного цвета, хотя трудно говорить о каких-либо цветовых различиях волн
в той части спектра (обычно это диапазон длин волн вблизи 1500 нм, где затухание
минимально), которая не воспринимается органами зрения человека.

Во многих отношениях WDM функционируют подобно радиосети. Для передачи дан-
ных используются отдельные волны, каждой из которых приписывается свой номер ка-
нала, в некотором смысле аналогично передаче отдельных радиопрограмм на различных
длинах волн с использованием единого пространства, если не считать того, что в после-
днем случае осуществляется широкое вещание, в то время как информация, передавае-
мая по волоконно-оптическому кабелю, поступает в определенный пункт назначения, где
ее извлекают с помощью демультиплексора. Как альтернатива, для извлечения сигналов,
передаваемых в выбранном диапазоне длин волн, без оказания какого-либо влияния на
остальные сигналы, может применяться оптическое мультиплексирование методом добав-
ления/ответвления каналов (мультиплексоры ввода-вывода; optical add-drop multiplexing —
OADM) (см. рис. 5.12).

Входные

Выходные

каналы

каналы

Ответвленные
каналы*

Добавленные
’каналы

Приемник

Передатчик"]

РИСУНОК 5.12

Система WDM.

Несмотря на то что мультиплексоры и демультиплексоры являются зеркальным по-
добием друг друга, в их работе имеются коренные отличия. Мультиплексоры должны
оказывать ничтожное воздействие на сигналы при их объединении в одном кабеле, от-
куда вытекает требование сведения к минимуму потерь мощности сигналов при их вво-
де в кабель. Мультиплексоры должны также гарантировать отсутствие обратного отра-
жения или рассеивания сигналов в направлении передающих устройств. С другой
стороны, от демультиплексоров требуется, чтобы извлечение отдельных оптических ка-
налов из уплотненного сигнала осуществлялось способом, исключающим утечку света
из одного канала в другой.

Какой именно способ применяется для упаковки оптических каналов в один волокон-
но-оптический кабель, определяется рядом обстоятельств. Согласно спецификациям ITU
между соседними оптическими каналами должны быть промежутки шириной, по край-
ней мере, 100 ГГц, что в единицах длин волн эквивалентно примерно 0,8 нм при общем
количестве каналов равном 100. Поэтому, например, в случае трех каналов их можно было
бы разместить в конце диапазона 1500 нм, отведя для этой цели волны 1530,33, 1531,12 и
1531, 90 нм, где небольшой запас, учитывает ошибки округления. В некоторых коммер-
ческих системах каналы упакованы еще плотнее, с промежутками между ними шириной
50 ГГц (0,4 нм), а разработчиками уже рассматриваются даже варианты с величиной про-
межутка 25 ГГц (0,2 нм). Не совсем, однако, ясно, когда это станет доступным и будет ли
введение дополнительных каналов оправданным с экономической точки зрения. Несом-
ненно, крупнейшие телефонные компании США ищут пути повышения числа уплотняе-
мых каналов, но за пределами США наблюдается иная ситуация (см. вставку «Говорят
специалисты: DWDM — когда «меньше и дешевле» значит «лучше»).

Говорят специалисты: DWDM — когда «меньше и дешевле» значит «лучше»

В индустрии телекоммуникаций прогресс технологий, как научило нас время, не всегда
ориентируется на уже существующие реалии. Усиленная реклама, сопутствовавшая буму
Internet, только с еще большей очевидностью это подтвердила. Рост Internet на протяжении
последних пяти лет стимулировал достижение значительных, хотя и не всегда очевидных с
точки зрения краткосрочных ожиданий, успехов в области оптических систем передачи дан-
ных.

Ключевую роль в достижении этих успехов сыграло удивительное сочетание стратеги-
ческой дальнозоркости и чуточки везения. Производители усовершенствовали системы DWDM
до такой степени, что в один волоконно-оптический кабель теперь можно втиснуть более
300 каналов с пропускной способностью 10 Гбит/с каждый. В то же время, значительные
усилия были направлены также на разработку систем сверхдальней связи, позволяющих уве-
личить дальность передачи оптических сигналов без их электрической регенерации (> 2000
миль).

Сами по себе эти достижения могут служить памятниками блистательности техни-
ческой мысли, однако где же здесь запросы рынка? Кто те потребители, которые нуждают-
ся в подобных услугах уже сегодня? Для чего все это нужно? Какие деньги придется за это
платить? Что действительно необходимо, так это не просто большее число каналов, а пусть
даже меньшее, но за умеренную цену. Действительно, испытывается потребность в увеличе-
нии дальности передачи оптических сигналов, но не до сверхдальних расстояний и лишь при
условии, что одновременно улучшатся возможности управления связью и предсказуемость ее
эксплуатационных характеристик.

Ставший теперь уже печально известным закон экспоненциального роста трафика IP
подтолкнул многие компании к массированному использованию волоконно-оптических кабе-
лей и широкому разворачиванию DWDM-магистралей. Ожидалось, что к концу 2001 года в
эксплуатации уже будут находиться магистрали с пропускной способностью 100 х 10 Гбит/
с, но и тогда спрос будет вряд ли удовлетворен. Однако этого не произошло!

На сегодняшний день оснащение основных европейских маршрутов волоконной оптикой уже
достигло насыщения. Так, в некоторых региональных общегородских сетях имеются линии с
более чем 500 оптоволоконными кабельными парами, которые фактически загружены тра-
фиком менее чем на 5 %. Работающие оптоволоконные пары обслуживают системы с тера-
битовой производительностью, но реально востребованной оказывается лишь небольшая часть
того, на что они способны. Имея столь дорогие оптоволоконные линии, компании будут на-
ходиться под постоянным прессом необходимости окупать свои капиталовложения, а это
грозит тем, что любые достоинства могут быть сведены на нет в результате ценовой эро-
зии, диктуемой неумолимыми законами рынка. В то же время, поставщики оборудования
надеются, что в случае использования волоконно-оптических линий повышенной производи-
тельности мы будем тратить деньги и на дорогостоящую аппаратуру. Они всячески поддер-
живают освоение новых высокопроизводительных каналов в L-диапазоне (1565-1625 нм) в
результате внедрения усовершенствованных DWDM-систем, а для этого потребуются доро-
гостоящие усилители и новые наборы транспондерных каналов.
Пора остановиться. Немедленно прекратить безумие. С гонками пропускной способности
на одну оптоволоконную кабельную пару сегодня должно быть покончено. Мы должны скон-
центрироваться на предоставлении DWDM с дополнительными функциональными возмож-
ностями управления (пользовательское управление сетями), гарантирующими устойчивость,
гибкость и легкость подготовки систем к работе.

Вместо того чтобы стремиться втиснуть в кабель как можно больше каналов, сделайте
системы более дешевыми и управляемыми. Центр тяжести основных капитальных затрат
сместился от волоконной оптики к оборудованию DWDM — примерно от 100 гигабит к 1
терабиту. Простое воспроизведение ситуации 1997-1998 годов — «оптические DWDM про-
тив мультиплексирования с пространственным разделением согласно стандарту SDH» —
средствами технологий 2001 года не сработает. С учетом имеющихся волоконно-оптических
кабелей, а также соответствующих расстояний и показателей стоимости необходимо най-
ти компромисс между дешевыми DWDM-системами, использующими множество кабелей, и
дорогими усовершенствованными DWDM-системами, разворачиваемыми с использованием
меньшего числа кабельных пар. В случае наличия оптоволоконного кабеля задайте произво-
дителю вопрос: что с точки зрения окупаемости капиталовложений более привлекательно —
два параллельных канала DWDM в С-диапазоне (1530-1565 нм) или один канал в C+L-dua-
пазоне. Наилучшим решением, по всей видимости, будЬп комбинированный подход, использу-
ющий DWDM-системы стандартной и, там где это необходимо, дальней связи. Выбор тех-
нологии должен согласовываться с производственными потребностями.

На сегодняшний день осмысление результатов и подведение итогов в данной области яв-
ляется производственной необходимостью. Эта ситуация вряд ли изменится. Что нам необ-
ходимо — так это новый подзаголовок для этой индустрии: «Когда меньше и дешевле зна-
чит — лучше!».

Педро Фалькао
(Pedro Falcao)*

*	В настоящее время Педро Фалькао Фонсека (Pedro Falcao Fonseca) занимает должность вице-пре-
зидента по оптическим сетям и IP в фирме Ebon, крупнейшей пан-европейской телефонной компании.

Разумеется, никто не требует от разработчиков оборудования втискивать в волокон-
но-оптические кабели немыслимые количества каналов. Мы привели примеры, относя-
щиеся лишь к одному из видов WDM, а именно — DWDM (Dense-Wave-Division
Multiplexing — мультиплексирование по длине волны высокой плотности). Однако су-
ществуют системы с промежутком между каналами более 200 ГГц; такие системы назы-
ваются системами мультиплексирования, использующими расширенный оптический
спектр для передачи информации (Wide-Wavelength-Division Multiplexing — WWDM).
Ранее мы уже видели пример использования WWDM совместно с EFDA, когда длина
волны возбуждающего светового излучения, вводимого в оптическое волокно с приме-
сями эрбия, отличалась от длины волны входящего сигнала. Аналогичным образом, в
некоторых системах используют только два, расположенных в двух различных волно-
вых диапазонах, канала на весь волоконно-оптический кабель.

Различия в плотности каналов оказывают огромное влияние на состояние нижнего
уровня эталонной модели OSI. По мере увеличения числа каналов, уплотняемых в од-
ном волоконно-оптическом кабеле, требования, предъявляемые к допускам, с которы-
" должны функционировать компоненты, становятся все более высокими. Лазеры
Фабри-Перо, например, вытесняются лазерами DFB и DBR, обладающими меньшим
дрейфом (drift). В результате стоимость систем значительно увеличивается. Это являет-
ся основной причиной того, что в WDM-системах, разворачиваемых на сегодняшний
день в общегородских сетях, используются не DWDM, a WDM. Подробнее с общего-
родскими WDM-сетями мы познакомимся в главе 8.

Фильтры

WDM-системы совершают свои чудеса путем совместного использования компонен-
тов двух типов — фильтров и решеток. Фильтры — это устройства, которые ослабляют
сигналы с определенными частотами или длинами волн, но пропускают все остальные
сигналы, практически не изменяя их. Иными словами, фильтры являются компонента-
ми, включение которых в состав оптических волноводов обеспечивает их селективную
прозрачность, в результате чего частоты одних диапазонов пропускаются беспрепятствен-
но, в то время как другие — блокируются. Это особенно удобно при работе с системами
DWDM, где требуется изолировать отдельные длины волн.

Хотя существует множество различных типов фильтров, в оптических коммуника-
циях регулярно используются только шесть из них. К ним относятся: интерференцион-
ные или диэлектрические фильтры, дихроические фильтры, нейтральные фильтры, по-
роговые длинноволновые и коротковолновые фильтры (longpass and shortpass filters), a
также решетки Брэгга. Рассмотрим каждый из этих типов по отдельности.

•	Интерференционные фильтры. Эти фильтры широко применяются для отделения
частот в телекоммуникационных приложениях, использующих волоконно-опти-
ческие кабели, поскольку их рабочие частоты совпадают с частотами обычных для
оптических сетей волновых диапазонов 1310 и 1550 нм. Применительно к систе-
мам WDM большое значение имеют два типа таких фильтров. Полосовые филь-
тры отражают или пропускают волны в интервалах шириной около 20 нм и бо-
лее. Линейные фильтры, представляющие собой довольно новое явление, отражают
или пропускают сигналы с длинами волн в очень узких интервалах шириной по-
рядка 1-2 нм. Использование интерференционных фильтров сопряжено с труд-
ностями двоякого рода. Во-первых, они обладают чрезвычайно высокой угловой
чувствительностью, что требует их тщательной юстировки для обеспечения нор-
мальной работы. Во-вторых, они значительно снижают выходную мощность про-
пускаемых сигналов.

•	Дихроические фильтры. Представляют собой прозрачную подложку, покрытую
тонкими пленками, селективно отражающими или пропускающими сигналы с раз-
личными длинами волн. Дихроические фильтры используются в бинокулярных
объективах, а также в фотообъективах.

•	Нейтральные фильтры. Эти фильтры предназначены для равномерного снижения
пропускания в определенной части спектра. В зависимости от конструкции они либо
поглощают, либо отражают те сигналы, которые не должны быть пропущены.

•	Предельные длинноволновые и коротковолновые фильтры. Эти фильтры характе-
ризуются наличием граничной длины волны. Длинноволновые отсекающие филь-
тры пропускают свет с длиной волны, превышающей определенное значение, и
блокируют сигналы с меньшей длиной волны. Коротковолновые отсекающие
фильтры пропускают свет с длиной волны меньше определенного значения, в то
же время блокируя сигналы с большей длиной волны. При совместном использо-
вании усилителя с лазером накачки можно подобрать такой фильтр, чтобы он
пропускал сигнал, но блокировал возбуждающее излучение. При прохождении по
волоконно-оптическому кабелю нескольких мультиплексированных сигналов с
различными длинами волн фильтры этого типа можно использовать для селек-
тивного пропускания лишь сигналов с определенной длиной волны при блоки-
ровании остальных.

Оптоволоконные решетки Брэгга

Подобно фильтрам решетки также отделяют волны различной длины друг от друга.
Это осуществляется за счет использования тончайших линий-штрихов, сформирован-
ных на поверхности оптического волокна или какого-либо другого материала. Когда
световой импульс сталкиваются с решеткой, пространство между каждой парой сосед-
них штрихов либо отражает, либо пропускает свет сквозь себя, что сопровождается кон-
структивной или деструктивной интерференцией, в результате которой отражение или
дифракция происходит только в определенных направлениях (см. рис. 5.13). Точное
значение угла, определяющего направление дифракции, зависит от ширины зазора между
штрихами и длины волны падающего света.

Оптоволоконные решетки Брэгга является, вероятно, наиболее известным типом
дифракционных решеток, применяемых в оптических сетях. Их изготовляют из отрез-
ков оптического волокна, полученного из чувствительного к ультрафиолету (UV) стек-
ла, путем воздействия на них ультрафиолетовым излучением через дифракционную ре-
шетку, которая играет роль трафарета. На тех участках волокна, куда попадает
ультрафиолетовое излучение, часть химических связей стекла разрывается. Благодаря
этому в отрезке волокна формируются регулярные изменения микроструктуры. Свет с
длиной волны близкой к периоду структурного возмущения будет отражаться в обрат-
ном направлении вдоль волокна, тогда как свет с другими длинами волн будет беспре-
пятственно распространяться далее.

Тогда в чем же разница между оптоволоконными решетками Брэгга и фильтрами? В
значительной степени она сводится к различиям в структурированности интервалов
соответствующих частот и характеристиках направленности. Как правило, для фильт-
ров частотный интервал отражения волн оказывается более широким, а интервал про-
пускания — обычно более узким по сравнению с оптоволоконными решетками Брэгга.
И хотя появление новых узкополосных линейных фильтров несколько размывает эту
картину, в целом она остается справедливой.

РИСУНОК 5.13

Дифракционная решетка.
Существует и другое отличие. При изменении угло-
вой ориентации фильтров падающий свет отражается в
сторону от светового источника. В случае же оптоволо-
конных решеток свет отражается в направлении свето-
вого источника.

Оба набора свойств имеют самое непосредственное
практическое отношение к конструкции систем. Свойства
фильтров делают их хорошо приспособленными для ме-
ханизмов передачи WDM. По мере роста возможной для
каждого оптоволоконного кабеля плотности каналов про-
изводители ищут новые способы, обеспечивающие эффек-
тивное их выделение, чем и объясняется повышенный
интерес к узкополосным линейным фильтрам.

Поскольку оптоволоконные решетки Брэгга селектив-
но отражают волны в узких частотных диапазонах, они ес-
тественным образом подходят для разработки прецизион-
ных OADM в среде DWDM. Несколько решеток,
встроенных в систему, позволяют объединять или разде-
лять сигналы с различными длинами волн (см. рис. 5.14).

Циркуляторы

И все же, при использовании оптоволоконных реше-
ток для выделения волн определенной длины остается
проблема обратных отражений в направлении светового
источника. Эту проблему удается решать с помощью ком-
понентов, относящихся к классу так называемых цирку-

ляторов.

Циркуляторы —• это нечто напоминающее круговое ав-
томобильное движение. Подобно изоляторам, использу-
емым в EDFA, они не позволяют свету распространяться
вдоль волоконно-оптического кабеля, однако вместо од-
ного кабеля выполняют эту задачу по отношению сразу к
трем или четырем кабелям.

В качестве примера рассмотрим трехпортовый цирку-
лятор. Сигнал, поступающий через порт 1, пересылается
далее через порт 2, сигнал, поступающий через порт 2, пе-
ресылается через порт 3, а тот который поступает через

порт 3, пересылается далее, как вы уже, наверное, догадались, через порт 1 (см. рис. 5.15).
Иначе говоря, если входной оптоволоконный кабель соединить с портом 1, а оптоволо-
конную решетку Брэгга поместить в порт 2, то выходной канал, по которому передает-
ся желаемый сигнал, будет перенаправлен в порт 3.

РИСУНОК 5.14
Пропускающие решетки
могут использоваться в
качестве светоделителей,
позволяя, например,
расщеплять один сигнал на
три отдельных сигнала.
Такая схема может
использоваться в сетях,
кабельном телевидении и
других подобных областях.
РИСУНОК 5.15

Перевод светового потока из одного волоконно-оптического кабеля в другой с помощью циркуляторов.

Другие компоненты

Существует бесчисленное множество других компонентов, относящихся к физичес-
кому уровню оптических сетей, о которых вы могли кое-что слышать. В качестве при-
мера наиболее важных из них можно назвать ответвители (couplers) и интерферометры.
К числу упомянутых компонентов принадлежат также мультиплексоры, которые будут
рассмотрены нами более подробно в главе 6.

В волоконной оптике термин ответвитель имеет двоякое значение. Ответвители ис-
пользуются для подключения световодов (волокон) к световым источникам, детекторам
и другим подобным устройствам. Ответвители этого типа иногда называют соедините^
лями (connectors).

Ответвителями являются также устройства, распределяющие оптическую мощность
между портами. Существуют пассивные и активные ответвители. Пассивные ответвите-
ли, такие как ответвители на основе оптических волокон из плавленого стекла, исполь-
зуются для соединения двух волоконно-оптических кабелей, часто — при мультиплек-
сировании сигналов. Активные ответвители, например повторители, применяются для
получения двух электрически разделенных выходных сигналов в сетях.

Интерферометры — это инструменты, в которых явление интерференции световых волн
используется для оценки точности формирования оптических поверхностей, что очень
важно для тестирования и качественного контроля оптических компонентов в процессе
их изготовления. Свет, как мы знаем, страдает «раздвоением личности», ведя себя в од-
них случаях подобно частице, а в других — подобно волне. Излучаемый когерентным ис-
точником свет расщепляется в интерферометре на два пучка, которым предоставляется
возможность интерферировать друг с другом. Результирующая интерференционная кар-
тина указывает на наличие всевозможных нерегулярностей, таких как шероховатость по-
верхности, масштабы которых соизмеримы с длиной волны используемого света.

Резюме

Большинство компонентов в оптических сетях относится к тому или иному типу
полупроводников — особых материалов, занимающих промежуточное положение между
проводниками (такими как металлы), которые проводят электрический ток, и изолято-
рами (такими как стекло или пластмасса), которые этим свойством не обладают.

В оптических сетях применяют два основных типа световых источников — светоиз-
лучающие диоды (light emitting diodes — LED) и лазеры (Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation). Главное различие между ними заключается в том, что в лазерах,
благодаря применению в них отражающего материала, удается создавать очень мощные,
точно сфокусированные световые пучки.

В обычных условиях электроны переходят с верхних энергетических уровней на
нижние и отдают при этом энергию, которую мы называем светом, испуская его в про-
цессе так называемого спонтанного излучения.

Фотодетекторы размещаются в приемных устройствах оптического механизма сис-
темы передачи, предоставляя возможность оборудованию преобразовывать оптические
сигналы обратно в электрические.

Проблема затухания, или ослабления (attenuation) сигналов с расстоянием решается с
помощью трех типов устройств — усилителей, регенераторов и повторителей. Усилители
только увеличивают амплитуду детектируемых сигналов, а вместе с ними — амплитуду
шумов и всех остальных сигналов. Регенераторы являются более совершенными устрой-
ствами и обычно включают в себя сложную электронику, что позволяет им решать сразу
несколько задач: детектировать оптические сигналы, преобразовывать их в электрические
сигналы, отделять от них шумы и остальные сигналы и повторно передавать в виде опти-
ческих сигналов. Повторители также являются электрооптическими устройствами, но в
большинстве типичных случаев они обеспечивают лишь усиление и повторное формиро-
вание сигналов, но не их полное восстановление. С приходом полностью оптических уси-
лителей использование повторителей в оптических сетях перестало быть повсеместным.

Двумя основными типами усилителей являются рамановские усилители и EDFA, По
сравнению с усилителями EDFA стоимость рамановских усилителей, действие которых
основано на эффекте Рамана, выше, но они обеспечивают выигрыш в коэффициенте
усиления оптических сигналов, работая в диапазоне передачи, характеризующемся низ-
кими потерями в волоконно-оптических кабелях.

В WDM-системах множество сигналов объединяются в одном волоконно-оптическом
кабеле и расщепляются на его выходе в пункте назначения. Среди этих систем также можно
выделить два основных типа. В системах DWDM промежутки между каналами составля-
ют менее 100 ГГц при итоговой характеристике 100 ГГи на один канал, тогда как в систе-
мах WWDM ширина этих промежутков превышает 200 ГГц. WDM-системы основаны на
совместном использовании компонентов, включающих в себя фильтры и решетки.
Глава 6

Технологии коммутации

В этой главе ...

•	Задачи коммутации

•	Коммутаторы ООО и ОЕО

•	Создание оптических коммутаторов

•	Основные конструкционные типы коммутаторов

•	Блокировать иль не блокировать ...

•	Получение оценочных характеристик

•	Технологии создания оптических коммутаторов

•	Коммутация с преобразованием длин волн

•	Резюме

Без всякого преувеличения можно сказать, что на сегодняшний день наиболее важ-
ной для развития интеллектуальных оптических сетей технологией являются оптичес-
кие коммутаторы. В обычных оптических сетях каналы конфигурируются под опреде-
ленные установленные маршруты. Телефонные компании «намертво» привязывают
каналы, конфигурируя отдельные части оборудования, причем на эту работу уходят
недели, а иногда и месяцы. Однако с развитием сети Internet потребители стали нуж-
даться в том, чтобы сроки на подготовку каналов к работе исчислялись не неделями или
месяцами, а днями.

Возьмем оптические коммутаторы. Эти устройства размещаются в местах стыка
волоконно-оптических кабелей между собой или с медными линиями. Благодаря им
соединения можно настраивать «на лету», перенаправляя сигналы из одного порта в
другой. Такие временные соединения идеально устанавливаются посредством программ-
ного обеспечения, что позволяет телефонным компаниям (по крайней мере, теорети-
чески) конфигурировать схемы соединений в течение нескольких минут.

Однако это простое описание ничего не говорит о том, что необходимо иметь столько
различных типов коммутаторов, сколько существует различных типов кабелей, которые
должны к ним подключаться. Для упрощения картины в этой главе под оптическими
коммутаторами будут подразумеваться лишь те коммутаторы, которые работают на фи-
зическом уровне. Коммутаторы же, работающие на более высоких уровнях, например
коммутаторы Ethernet, которые обсуждались в главе 2, будут подробно рассмотрены нами
несколько позднее в главе 10.
Даже оптические коммутаторы можно исследовать с самых различных сторон. Для
начала мы попытаемся понять, какое место в сети отводится коммутаторам и каковы их
основные функции. Одни коммутаторы размещаются в концевых точках сети, другие — в
центральной ее части. Затем мы проработаем различные архитектуры коммутационных
систем. Хотя оптические коммутаторы являются новым видом устройств, сами по себе
коммутаторы используются уже в течение многих лет. Основные схемы построения ком-
мутационных систем мало изменились, и понимание всех сильных и слабых сторон этого
подхода окажет неоценимую помощь при внедрении продуктов в конкретном месте.

Что, однако, является новым, так это материалы и компоненты, используемые при
создании коммутационных систем. В оптических коммутаторах нашли свое применение
некоторые наиболее экзотические из имеющихся технологий — от миниатюрных зер-
кал и голограмм до пузырьков. Каждая из этих технологий будет тщательно рассмотре-
на нами со всеми ее сильными и слабыми сторонами.

Задачи коммутации

Оптические коммутаторы выполняют в сети несколько ключевых функций. Вообще
говоря, эти функции можно разбить на следующие группы: восстановление, транспор-
тировка и контроль.

•	Восстановление — При использовании методов коммутации с автоматической за-
щитой сетевого трафика возможности обхода сбойных компонентов или обрывов
волоконно-оптических кабелей обеспечиваются заблаговременным размещением
коммутаторов в местах критических соединений сети.

•	Транспортировка — При изменении направления трафика в пределах сети ком-
мутаторы решают две важные задачи. В устройствах оптического мультиплекси-
рования методом добавления/ответвления каналов (optical add-drop multiplexers —
OADM) коммутирующие элементы используются для извлечения данных, пере-
даваемых по определенным волновым каналам (wavelength), как это задано про-
ектировщиками сети. В ячеистых сетях коммутаторы используются для переклю-
чения входящих линий. Более конкретно, краевые (edge) коммутаторы
осуществляют коммутацию и соединение входящих низкоскоростных линий для
передачи данных в магистрали ОС-3 или ОС-12. Световые или оптические кросс-
соединители (photonic crossconnects), называемые также оптическими коммутато-
рами (photonic switches) или маршрутизаторами по длине волны1 (wavelength
routing), размещаются в местах критических соединений в пределах центральной
части сети, коммутируя из одного порта в другой всю полосу пропускания воло-
конно-оптического кабеля, полосу частот или отдельные волновые каналы.

•	Сетевое тестирование и управление — Коммутаторы используются также при те-
стировании отдельных компонентов, когда каждый коммутируемый оптический
путь характеризуется неким заданным контрольным параметром. Аналогичным
образом, в таких, например, испытательных приборах, как оптические рефлек-

’ Несмотря на то что они называются маршрутизаторами по длине волны, они создают маршруты на базе
коммутируемых каналов на нескольких длинах волн и гибким образом перенаправляют поступающий сигнал с
одной длиной волны на исходящую волну с другой длиной под управлением Wavelength Routing Protocol (WARP). —
(Прим. науч, ped.)
тометры с разрешением по времени, коммутирующие элементы используются для
проверки множества волоконно-оптических кабелей на удаленных узлах или для
контроля активности трафика способом, не нарушающим его прохождения.

(ЛНТеЛЛекгГУАЛЬНЫе
kXWfnyTATOPbl

после напрятанной ШАРсутллетней
работы Виктору и глелБину нАконесуго
ГОАЛось выпустить сбой ЗБбЗРНЫй
юхлмутатор 1 Большое плАБАНие

Коммутаторы ООО и 0Е0

Вопросы использования коммутаторов в процессе транспортировки сигналов привле-
кают огромное внимание специалистов, занимающихся проектированием оптических
сетей. Предназначенные для этой цели коммутаторы в целом можно разделить на две
группы — оптические коммутаторы (all-optical switches), которые называют также про-
зрачными, световыми (photonic) или ООО- (optical-optical-optical) коммутаторами, и
электрооптические коммутаторы, называемые также непрозрачными или ОЕО- (optical-
electrical-optical) коммутаторами. Оптические коммутаторы принимают оптический сиг-
нал на входе, осуществляют его коммутацию, и направляют через свой выход далее.
Электрооптические коммутаторы принимают оптические сигналы на входе, преобразу-
ют их в электрические сигналы, выполняют некоторую вычислительную работу (это
может быть поиск адресов в базе данных маршрутизации, если этот процесс включен в
функции коммутации, или же выполнение дополнительных функций иного рода), пос-
ле чего ретранслируют оптические сигналы на выходе. В случае ООО из одного порта в
другой перемещается, как правило, вся полоса пропускания волоконно-оптического
кабеля. Коммутаторы ОЕО обычно допускают возможность дифференцированного пе-
ремещения отдельных волновых каналов. Производители коммутаторов не прекраща-
ют поиск путей, которые, в конечном счете, позволили бы осуществлять коммутацию
непосредственно фотонов, образующих пакеты, без промежуточного превращения их в
электрические сигналы, хотя на сегодняшний день эта идея, скорее, относится к обла-
сти научной фантастики и до ее реализации еще далеко.

Возможно, когда-нибудь в далеком будущем в оптических сетях на всем их протяже-
нии между любыми двумя конечными точками все будут делать исключительно фотоны,
однако на сегодняшний день без совместного присутствия в сетях и фотонов, и электро-
нов невозможно обойтись. Оптические коммутаторы прозрачны для любых скоростей
передачи и любых протоколов, поэтому для поддержки любого вида трафика им вполне
достаточно иметь всего один интерфейс. Их возможности в отношении скорости комму-
тации мощных потоков данных просто поражают. Кроме того, они позволяют избежать
высоких расходов, связанных с преобразованием сигналов из оптической формы в элек-
трическую и наоборот. Все это делает оптические коммутаторы весьма подходящими для
использования в центральной части сетей в качестве оптических кросс-соединителей.

Перед электрооптическими коммутаторами сегодня стоят совершенно иные задачи.
Поскольку сигнал в них преобразуется в электрическую форму, они могут извлекать слу-
жебную сетевую информацию и восстанавливать сигнал. На сегодняшний день ни одна
из этих функций не может быть выполнена исключительно оптическими средствами.

Электрооптические архитектуры находят также применение в упорядочивающих ком-
мутаторах. Упорядочивающие (grooming) коммутаторы просматривают входящий STM-л-
поток, идентифицирует пункты назначения мультиплексированных каналов, а затем ре-
организуют каналы таким образом, чтобы сделать их доставку по назначению максимально
эффективной (см. рис. 6.1). В отличие от этого мультиплексоры объединяют кадры и на-
правляют их в выходной порт вне зависимости от того, куда они пересылаются.

Одно время считалось, что без использования прозрачных коммутаторов невозмож-
но добиться высокой плотности портов. В случае непрозрачных коммутаторов этот по-
казатель ограничивался 256 портами. Однако, благодаря совершенствованию кремние-
вых технологий, эта разница сгладилась, и сегодня для непрозрачных коммутаторов стала
достижима плотность, исчисляемая 1024 портами. Прозрачные коммутаторы все еще
могут похвастаться более высокими значениями этого показателя, достигающего уже
примерно 4000 портов, но при этом часто требуют использования не до конца отрабо-
танных технологий, а это влечет за собой повышенный, по сравнению с обычными крем-
ниевыми методиками, используемыми в непрозрачных коммутаторах, риск. Дополни-
тельное масштабирование непрозрачных коммутаторов, возможно, и не устранит
потребность в прозрачных коммутаторах, но благодаря ему телефонные компании уже
имеют возможность отложить развертывание основанных на них систем.
УК - Упорядочивающий коммутатор

Город

РИСУНОК 6.1

Использование упорядочивающих коммутаторов позволяет реорганизовать трафик для достижения
максимальной эффективности доставки данных.

И все же, поскольку непрозрачные коммутаторы не в состоянии в полной мере обес-
печить те характеристики масштабируемости и независимость протоколов, которые свой-
ственны прозрачным коммутаторам, сосуществование обеих технологий, по всей види-
мости, будет сохраняться. В то время как непрозрачные коммутаторы применяются для
организации доступа к упорядоченному трафику, прозрачные коммутаторы использу-
ются в центральной части сети либо для агрегации данных с целью повышения скорос-
ти передачи через порт, например в соответствии со стандартами от ОС-48 до ОС-192,
либо для обеспечения ремаршрутизации трафика без преобразования сигналов в элект-
рическую форму (см. рис. 6.2).

Непрозрачные
коммутаторы

Региональные
общегородские сети

Прозрачные
коммутаторы

РИСУНОК 6.2

Прозрачные коммутаторы размещаются в центральной части сети в окружении непрозрачных
коммутаторов, которые объединяют трафик, приходящий из центральной части общегородских сетей.
Разумеется, приведенное выше описание носило упрощенный характер. Увеличение
производительности непрозрачных коммутаторов позволяет телефонным компаниям
постоянно расширять их внедрение в общегородские сети. В то же время, по мере того
как поставщики дополнительно усиливают возможности оконечных коммутаторов за счет
DWDM и интеллектуальной маршрутизации, эти коммутаторы, обладающие улучшен-
ными возможностями упорядочения трафика, могут обрабатывать все большее число
каналов. В результате этого создаются благоприятные условия для расширения масшта-
бов применения методов оптической коммутации в сети.

Создание оптических коммутаторов

Хотя методы оптической коммутации являются довольно новыми, сама идея комму-
тации довольно стара и базовая архитектура для проектирования систем коммутации в
основном осталась неизменной. Простейшими коммутаторами являются оптические
кросс-соединители (optical crossconnects — ОХС), которые получают данные на один
входной порт и коммутирует их на два или более выходных порта.

Существует два типа кросс-соединителей, или, выражаясь техническим языком, про-
странственных (space-division) коммутаторов: транспозиционные (permutation) и обще-
го типа (generalized). Транспозиционные коммутаторы состоят из соединений типа «один-
один» между различными портами. Соединения типа «один-множество» невозможны;
полное число соединений определяется суммарным количеством попарных комбинаций
конечных точек, отсюда и название коммутаторов этой категории — транспозиционные
(см. рис. 6.3).

РИСУНОК 6.3

В транспозиционных коммутаторах допустимы лишь соединения типа «один-один».
Выходные порты

ABCDEFGH

РИСУНОК 6.4

В коммутаторах общего типа возможен любой тип соединения: «один-один» (8-Н), «один-
множество» (3-А, В, Du С) и «множество-один» (5и 6-Е).

В то же время, коммутаторы общего типа могут соединять один входной порт с мно-
жеством выходных или же множество входных портов с одним выходным. В результате
число различных возможных вариантов соединения увеличивается (см. рис. 6.4). Даль-
нейшим шагом являются специальные коммутаторы, называемые линейными делителя-
ми-объединителями (linear divider-combiner — LDC), которые позволяют телефонным
компаниям распределять входную мощность между выходными портами для обеспече-
ния улучшенных характеристик затухания.

КОММЕНТАРИИ ДОКТОРА ЧОКА ПО ПОВОДУ ... КОММУТАТОРОВ

Интересно ли вам узнать, какое полное число различных вариантов со-
единений позволяют обеспечивать транспозиционные коммутаторы и коммутаторы общего
типа. Определить это число довольно легко. Количество соединений, которые способен
поддерживать транспозиционный коммутатор с конфигурацией портов пхп, выражается
факториальной функцией: п!. Это является следствием того, что транспозиционные ком-
мутаторы поддерживают лишь соединения типа «один-один». Поэтому для коммутаторов
с конфигурацией 8x8 портов всего получаем 8х7х6х5х4хЗх2х1 или 40320
различных соединений.

Вам кажется, что это много? Тогда что вы скажете о коммутаторах общего типа! По-
скольку в этом случае допускаются соединения типа «один-множество» и «множество-
один», то полное возможное количество соединений оказывается гораздо большим. Для
коммутатора с числом входных и выходных портов равным, соответственно, п и у коли-
чество состояний соединения выражается формулой: 2пу, что в нашем конкретном слу-
чае, для которого п = у = 8, составляет 18446744073709551616.
Кроме того, коммутаторы общего типа и LDC могут не выпускать сигнал наружу,
тогда как в случае транспозиционных коммутаторов это невозможно. Это означает, что
сети, включающие в себя транспозиционные коммутаторы, могут быть очень запутан-
ными, и возможность образования вследствие этого непреднамеренных соединений
может доставить много головной боли. Например, в случае сетей WDM для некоторых
волновых каналов замкнутые маршруты могут образовывать кольца. Во многих сетях
WDM используются усилители, и эти усилители являются источником шумов, хотя эти
шумы и небольшие. В случае образования колец шумы накапливаются и очень быстро
нарастают, интерферируя с другими волновыми каналами или отбирая от них мощность.

Основные конструкционные

типы коммутаторов

При создании оптических коммутаторов применяют два подхода. Для более просто-
го из них характерно использование координатных (матричных) коммутаторов, пред-
ставленных на рис. 6.3 и 6.4. Линии входных и выходных портов, пересекаясь друг с
другом, образуют своего рода сетку. В случае электронных переключателей перемычки
могут быть выполнены в виде печатных схем с использованием электронных вентилей.
В основе оптических коммутаторов лежит та же идея, только вместо электронных вен-
тилей используются оптические ответвители (optical couplers). Управляя положением этих
ответвителей, удается соединять между собой различные порты.

В случае координатных коммутаторов наибольшие сложности связаны с наличием
большого числа точек пересечения. Для коммутаторов, рассчитанных на 100 входных и
100 выходных портов (не столь уж необычная для центральной части сети ситуация),
результирующее число пересечений составляет 1002 или 10000. Для каждого из этих пе-
ресечений требуется делитель (splitter) или объединитель (combiner), что увеличивает
стоимость системы.

Все это является достаточно хорошим основанием для использования координатных
коммутаторов небольшой емкости в качестве конструкционных элементов при разра-
ботке коммутаторов увеличенной емкости. В случае коммутаторов подобного конструк-
ционного типа, называемого архитектурой Клоза (Clos architecture), имеется три яруса
соединений. Входные порты подключены к одному набору координатных коммутато-
ров, а выходные — к другому, и оба набора подключены к третьему (см. рис. 6.5).

РИСУНОК 6.5
Коммутатор
(switch)
с архитектурой
Клоза с
конфигурацией
портов Nx N.
РИСУНОК 6.6

Пример рекурсивного соединения в коммутаторе Бенеша.

В случае транспозиционных коммутаторов конструкция Клоза может быть введена в
коммутационную структуру Бенеша (Benes switch fabric), в которой для обеспечения
произвольных комбинаций используются коммутаторы конфигурации 2 х 2. В общих
чертах, идея заключается в том, чтобы одна половина портов любого из промежуточ-
ных коммутаторов, расположенная с одной стороны коммутатора, играла роль входных
портов, а вторая, расположенная с другой стороны, — выходных (см. рис. 6.6).

Промежуточные коммутаторы в свою очередь могут быть разбиты на две группы и
так далее до тех пор, пока вся схема не будет представлена соединителями 2x2 (см.
рис. 6.7). Несмотря на то что архитектура Бенеша близка к оптимальной в отношении
использования аппаратных средств, разработчики коммутаторов предпочитают исполь-
зовать коммутирующие элементы большей чем 2x2 размерности, иначе с определен-
ного момента начинают возникать сложности с масштабированием.

Коммутаторы LDC и коммутаторы общего типа используют сходные архитектуры.
Коммутаторы общего типа используют координатную схему, но число коммутирующих
элементов в них больше. Так происходит потому, что они могут поддерживать более
сложные соединения, чем «один-один». В то же время, координатным коммутаторам
свойственно ослабление сигналов, происходящее на каждой из стадий двухстадийного
процесса разделения и объединения сигналов. В LDC с этой проблемой удается спра-
виться за счет введения энергетически управляемого разделения и объединения (power-
dividing and power-combining) сигналов.

Блокировать иль не блокировать ...

Производители коммутаторов часто приводят характеристики блокирования выпус-
каемых ими изделий. То, что при этом имеется в виду, легко понять, если представить
себе двухплечевой механический коммутатор старого образца, который соединяет пор-
ты, расположенные по обе стороны устройства. Любой порт может сообщаться с любым
другим портом, но, в зависимости от скорости работы коммутирующего элемента, мо-
жет оказаться так, что некоторые соединения не удастся организовать, и они окажутся
блокированными (см. рис. 6.8).

РИСУНОК 6.7

Коммутатор Бенеша с конфигурацией портов 8x8.

Существует три категории неблокирующих коммутаторов, которые различаются сте-
пенью сложности аппаратной части, легкостью управления и влиянием, оказываемым
ими на само соединение. В перестраиваемых неблокирующих коммутаторах (rearrangeably
nonblocking switches) имеющиеся соединения при необходимости перемещаются, чтобы
сделать возможным создание нового соединения. Коммутаторы N х N относятся к чис-
лу перестраиваемых неблокирующих коммутаторов. Определение маршрута по комму-
тационной матрице с помощью необходимых логических схем не всегда просто осуще-
ствить. Для организации нового соединения может потребоваться прервать некоторые
из существующих соединений. Вследствие этого аппаратная часть подобных коммута-
торов является сравнительно простой, но сложность управления — весьма высокой, а
воздействие на соединения — значительным.

РИСУНОК 6.8

Свойства блокирования характеризуют
возможности коммутатора в обеспечении
соединений одновременно для всех портов. Так,
представленный на рисунке координатный
коммутатор старого образца может
обеспечивать в каждый момент времени только
одно соединение.
Неблокирующие коммутаторы в широком смысле, такие как коммутаторы с архитек-
турой наподобие архитектуры Клоза, позволяют избежать переустановки существующих
соединений, но лишь в том случае, если для маршрутизации новых соединений приме-
няются корректные правила. Реализация этих сложных дополнительных функций и ал-
горитмов маршрутизации требует наличия дополнительного оборудования, но не затра-
гивает существующие соединения.

Неблокирующие коммутаторы в строгом смысле, такие как коммутаторы с архитек-
турой Клоза и Бенеша, позволяют избежать использования сложного оборудования для
перестройки существующих соединений и маршрутизации нового соединения. Для но-
вых соединений может быть использован любой свободный маршрут. Однако платой за
это является увеличение общего количества оборудования по сравнению с тем, которое
должно использоваться в коммутаторах предыдущего типа.

Таблица 6,1 Достоинства неблокирующих коммутаторов

Тип	Стоимость оборудования	Сложность алгоритма соединения	Степень воздействия на существующие соединения
Перестраиваемые	Низкая	Высокая	Высокая
Неблокирующие в широком смысле	Средняя	Высокая	Низкая
Неблокирующие в строгом смысле	Высокая	Низкая	Низкая

Для каждого из описанных подходов имеется свой круг задач. В случае сетей, требу-
ющих установления и разрыва многочисленных соединений, как это имеет место в цен-
тральной части общегородских сетей, использование перестраиваемых архитектур, а
также неблокирующих архитектур в широком понимании этого термина сопряжено с
резким ростом объема сложных вычислений. В тех же случаях, когда число используе-
мых соединений невелико, как, например, в случае междугородней связи, применение
этих архитектур может стать вполне распространенной практикой.

Получение оценочных характеристик

Фактор блокирования, несомненно, отражает один из аспектов оценки эксплуата-
ционных характеристик технологии коммутации, однако кроме него существуют и дру-
гие факторы подобного рода, которые заслуживают того, чтобы мы их рассмотрели. К
таковым относятся: размерность коммутационной матрицы, масштабируемость, струк-
турируемость (granularity) и скорость работы коммутационных средств, а также потери.

• Размерность матрицы — Поскольку потенциальное число линий, подведенных к
месту размещения коммутатора, может быть очень большим, уже одно количе-
ство портов, которые способен поддерживать коммутатор, является его важней-
шей характеристикой. Современные коммутаторы позволяют достигнуть конфи-
гурации 4000 х 4000, т.е. конфигурации с четырьмя тысячами входных и четырьмя
тысячами выходных портов, но для некоторых приложений это явно больше, чем
требуется. Другие коммутаторы предназначены для приложений, требующих мень-
шего количества портов, например 64 х 64 порта.
•	Масштабируемость — Многие провайдеры используют архитектуры или системы
коммутации, для работы которых необходимо несколько десятков портов. Вспом-
ните схемы Клоза и Бенеша. Если поставщик предоставляет небольшой комму-
татор, построенный на базе коммутационных элементов, имеющих размерность,
например, 2 х 2, то при его масштабировании до большего количества портов вам
очень скоро придется дополнительно оборудовать основную часть коммутатора
сложными коммутирующими элементами.

•	Структурируемость — Следует всегда тщательно изучать вопросы, связанные с раз-
мерами портов. Поддерживает ли телефонная компания порты ОС-3, ОС-12, ОС-
48 или ОС-192? Каковы ее планы в отношении ОС-768? Иногда даже само об-
суждение портов может сбить с толку. В случае оптических кросс-соединителей
число портов имеет значение, поскольку они соединяют между собой только от-
дельные волоконно-оптические кабели. Другое дело — маршрутизация волновых
каналов, когда имеющей ключевое значение характеристикой является число
коммутируемых каналов.

Коль скоро мы заговорили о волновых каналах, то следует отметить, что очень
важно определить, работает ли коммутатор на уровне волновых каналов или на
уровне волоконно-оптических кабелей. Также, впрочем, важно, допускает ли
коммутатор постепенное наращивание количества портов по мере необходимос-
ти. Наращивание количества портов с большим инкрементом может привести к
неоправданным расходам.

•	Скорость коммутации — Какой должна быть скорость перемещения светового
потока из одного порта коммутатора в другой? Коротко можно ответить так: все
определяется конкретными обстоятельствами. В настоящее время считается
вполне достаточным, если коммутация осуществляется в течение нескольких
миллисекунд. SONET проигрывает в этом отношении, обеспечивая поддержку
соединений со скоростью 50 миллисекунд, о чем и не снилось протоколам бо-
лее высокого уровня. И все же, коммутаторы развиваются в направлении пере-
ключения отдельных пакетов оптическими средствами, а это требует наносекун-
дных периодов коммутации.

•	Потери — враг проектировщика сетей. Если говорить о коммутации, то потери
могут происходить как в местах соединения волоконно-оптических кабелей с
коммутатором, так и в соединениях в самой матрице. Потери в оптических ком-
мутаторах могут составлять от 1-2 дБ до 4-5 Дб.

Технологии создания оптических коммутаторов

Любая из столь захватывающих и удивительных современных технологий может быть
использована в наши дни для создания оптических коммутирующих элементов. В то же
время, основная идея остается неизменной: как добиться того, чтобы в результате при-
ложения энергии в той или иной ее форме световой сигнал можно было заставить рас-
пространяться в нужном направлении. К подобного рода технологиям относятся:
микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems — MEMS), оптоме-
ханические, термооптические, пузырьковые, жидкокристаллические и акустооптичские
коммутаторы, а также электрически коммутируемые решетки Брэгга. Каждая из них
будет рассмотрена нами по отдельности.
MEMS

Представьте себе огромное зеркальное ателье размером со складское помещение,
заполненное сотнями, если не тысячами зеркал. Вы входите в ателье, и ваше изображе-
ние моментально проецируется на зеркала, расположенные на другом конце ателье.

В МЕМ S-коммутаторах реализован примерно тот же принцип работы, только в на-
много меньших масштабах. При использовании технологии MEMS на одной подложке
размещаются сотни миниатюрных зеркал, которые могут переориентироваться в тече-
ние нескольких миллисекунд. Оптические сигналы, ударяющиеся в эти зеркала, отра-
жаются от них и направляются в соответствующий выходной порт.

MEMS-коммутаторы выпускаются в двух-, трех- и четырехплоскостном вариантах
исполнения. В двухплоскостных MIMS-коммутаторах зеркала могут резко подниматься
п опускаться (см. рис. 6.9). В трехплоскостных коммутаторах свет может направляться в
трех различных направлениях, а в четырехплоскостных свет может коммутироваться
между портами, расположенными со всех четырех сторон.

с Плоскость 4

Плоскость 1

Плоскость 1

Плоскость 1

Двухплоскостная
конфигурация
обеспечивает
коммутацию между
портами плоскостей 1 и 2.

Трехплоскостная конфигурация
обеспечивает коммутацию
между портами плоскостей
1 и 2, а также, когда зеркала
не активизированы, позволяет
сигналам распространяться
между портами плоскостей 2 и 3.

Четырехплоскостная конфигурация
обеспечивает коммутацию между
портами плоскостей 1 и 2, а кроме
того, когда зеркала не
активизированы, позволяет сигналам
распространяться между портами
плоскостей 2 и 3, а также 1 и 4.

РИСУНОК 6.9

Примерные конфигурации MEMS (публикуется с любезного разрешения компании ОММ Inc., Сан-
Диего, Калифорния).

В случае коммутаторов рассматриваемого типа имеются определенные сложности, о
которых следует знать. Возможно, наибольшей из них является проблема долгосрочной
надежности. Никогда нельзя быть уверенным в том, как только выдержат отдельные зер-
кала до того, как наступит их износ и они потеряют способность к точному позициони-
рованию.

Много хлопот доставляет также потеря мощности сигналов. Для MEMS характерны
потери величиной в несколько децибел при прохождении сигнала через коммутатор. Чтобы
вы могли почувствовать порядок этой величины, заметим, что потерям на уровне пяти
децибел соответствует мощность сигнала, составляющая 32 % от первоначальной. В отно-
шении последних разработок MEMS утверждается, что удалось создать устройства, харак-
теризующиеся значительно меныпими потерями величиной порядка 1 и менее децибел.

Наконец, пока не удается обеспечить высокую плотность портов. Хотя и существу-
ют коммутаторы с конфигурацией свыше 16 х 16 портов, достигается это за счет ухуд-
шения надежности. Сложной задачей остается также управление углом отражения сиг-
нала — эта технология все еще находится в стадии разработки.

Оптомеханические коммутаторы

В одном из подходов, напоминающем технологию MEMS, для переадресации сиг-
налов из одного порта в другой используется подвижный отрезок волоконно-оптичес-
кого кабеля. Для фокусировки сигнала на каком-то определенном выходном порте в
коммутаторах этого типа, называемых оптомеханическими коммутаторами, применяет-
ся механический ползунок, который перемещает отрезок волоконно-оптического кабе-
ля или иного аналогичного компонента. Зафиксировав этот компонент в нужном поло-
жении, можно направлять свет из входных портов в выходные (см. рис. 6.10).

Несмотря на простоту самой идеи, ее использование для создания оптомеханичес-
ких коммутаторов предъявляет высокие требования к производственному процессу.
Передвижение коммутирующих компонентов должно контролироваться с высокой точ-
ностью. Даже незначительные отклонения сигнала от нужного направления могут при-
вести к нарушениям нормального режима работы.

И все же оптомеханические методы коммутации находят широкое применение, по-
скольку их проще всего реализовать. Часто они используются в тех случаях, когда осу-
ществлять коммутацию приходится не очень часто, например, с целью организации
обхода сбойных компонентов. Этот тип оптической коммутационной технологии при-
меняется также в некоторых видах испытательного оборудования.

РИСУНОК 6.10

Оптомеханический коммутатор.

Электрооптические и термооптические коммутаторы

Применение электрооптического эффекта позволило поставщикам компонентов со-
здать быстродействующие, хотя и допускающие лишь небольшое количество портов,
коммутаторы. Суть электрооптического эффекта состоит в том, что при изменении на-
пряженности приложенного электрического поля показатель преломления (RI) некото-
рых материалов также изменяется, причем эти изменения воздействуют на скорость
распространения света почти немедленно. Поскольку скорость света в веществе равна
скорости света в вакууме, деленной на RI, увеличение RI приводит к уменьшению ско-
рости света, а уменьшение R1 — к увеличению.

Электрооптические коммутаторы состоят из двух соединителей, имеющих активные
участки, расположенные в середине одного или обоих соединений (см. рис. 6.11). При-
кладывая к одному из участков электрическое поле, фазу света можно изменить на 180?
и направить его в другой порт. Прилагая к обоим участкам поля сравнимой величины,
можно перемещать сигналы из одного порта в другой.

Огромным преимуществом использования электрооптического эффекта является
достигаемая при этом высокая скорость коммутации. Вместе с тем, при масштабирова-
нии возникают сложности. Электрооптическая технология эффективна в случае комму-
таторов с конфигурацией портов 2 х 2, но создание коммутаторов большей размерности
сопряжено с определенными трудностями.

В термооптических коммутаторах используется аналогичный принцип, но вместо при-
ложения электрического поля для изменения характеристик волоконно-оптического ка-
беля применяется температурное воздействие, позволяющее добиться того же эффекта.
На сегодняшнем рынке представлены два типа термооптических коммутаторов. Интер-
ферометрические коммутаторы имеют меньшие размеры, но их эксплуатационные ха-
рактеристики зависят от длины волны пропускаемого света. В результате часто требует-
ся применение дополнительных средств контроля, обеспечивающих поддержание
температуры отдельных соединений в строго установленных пределах. В то же время,
цифровые оптические коммутаторы (digital optical switches — DOS) отличаются большей
живучестью. Простейшими из них являются коммутаторы с конфигурацией портов 1 х
2. Увеличение температуры одного плеча вызывает увеличение RI и блокирует прохож-
дение света. Соответственно, требования к температурному контролю в этом случае
оказываются не такими жесткими.

РИСУНОК 6.11

Электрооптический коммутатор.

Пузырьковые коммутаторы

Могли ли вы себе когда-нибудь представить, что в один прекрасный день струйный
принтер окажется в самом центре сети общего пользования и от него будет зависеть
прохождение миллионов телефонных разговоров, ведущихся по всей планете? Пожалуй,
нет, особенно если учесть, что если даже печать со скоростью нескольких десятков стра-
ниц в минуту для них является проблемой, то что уж говорить о поддержании несколь-
ких миллионов соединений в секунду. И тем не менее, технология, лежащая в основе
работы струйных принтеров, с успехом может быть использована для создания эффек-
тивных масштабируемых оптических коммутаторов.
Суть данной идеи заключается в использовании двух наборов кремниевых полос.
Нижний слой состоит из вытравленных в кремнии продольных микроскопических вы-
емок, пересекающихся друг с другом. Эти выемки играют роль волноводов, по которым
может распространяться входящий световой поток и которые заполнены специальной
жидкостью, имеющей тот же показатель преломления, что и кремний. В верхнем слое
располагаются электроды, с помощью которых осуществляется нагрев жидкости, вызы-
вающий образование пузырьков газа (см. рис. 6.12).

В обычных условиях свет беспрепятственно проходит через жидкость, как если бы
она была стеклом. Но когда в одном из пересечений образуется пузырек, свет изменяет
свое направление и направляется в другой канал. Для любого газового пузырька пока-
затель преломления RI гораздо ниже как показателя преломления жидкости, так и по-
казателя преломления, соответствующего критическому углу, при котором начинает
происходить полное внутреннее отражение.

Хорошо то, что в пузырьковых коммутаторах отсутствуют какие-либо подвижные
части, и поэтому проблема надежности, с которой приходится сталкиваться в случае
МЕМ или оптомеханических коммутаторов, не возникает. Единственной реальной про-
блемой является то, что на сегодняшний день пузырьковая технология еще не покинула
своей колыбели.

РИСУНОК 6.12

В результате возбуждения
заполненных жидкостью каналов в
критических узлах системой
электрического нагрева (элементы
которой на рисунке не представлены)
свет направляется в другие каналы и,
в конечном счете, попадает в
выходной порт.

Жидкокристаллические коммутаторы

Если в пузырьковых коммутаторах некоторые идеи скопированы из технологии прин-
теров, то жидкокристаллические коммутаторы оказываются в том же положении по
отношению к технологии изготовления мониторов или дисплеев часов. То же самое
основное вещество, которое используется для создания мониторов переносных компь-
ютеров или цифровых дисплеев наручных часов; может быть использовано и для пере-
адресации света в различные порты, правда, при этом требуется использование кое-ка-
ких дополнительных технологических приемов.

В данном случае ключевую роль играют свойства жидких кристаллов. Обычно моле-
кулы вещества выстраиваются друг относительно друга случайным образом. В жидких
кристаллах наблюдается иная ситуация. Для них характерно наличие отчетливого моле-
кулярного порядка, характеризующегося тем, что сигарообразные молекулы жидких
кристаллов выстраиваются вдоль одного направления, называемого оптической осью.
Прикладывая к жидкому кристаллу электрическое напряжение, можно заставить моле-
кулы изменить свою ориентацию, в результате чего некоторые свойства жидкого крис-
талла, например показатель преломления (RI), изменяются. Способность молекул из-
менять свою ориентацию, а вместе с ней и показатель преломления может быть
использована для коммутации оптических сигналов. Как именно это осуществляется,
зависит от конкретного варианта реализации этой идеи.

Одно время в жидкокристаллических коммутаторах использовалось явление поляри-
зации. Как ранее уже говорилось, направлением поляризации называется направление
колебаний электрического поля световой волны. Линейно поляризованный свет состо-
ит из световых волн, электрическое поле которых все время колеблется в одном и том
же направлении. Эллиптическая или круговая поляризация света имеет место в тех слу-
чаях, когда плоскость, в которой колеблется электрическое поле, вращается вокруг на-
правления распространения волны.

В рассматриваемых жидкокристаллических коммутаторах для переадресации света из
одного порта в другой используется некий многостадийный процесс. На первой стадии
входящий световой поток попадает в линзу, которая разделяет поляризованный сигнал
на два пучка, обладающие противоположной поляризацией. Оба пучка соударяются с
жидкокристаллическими компонентами и отражаются на другую линзу, где они реком-
бинируют. К каждому из жидкокристаллических элементов присоединены электроды.
Меняя величину напряжения, подведенного к электродам, можно изменять полярность
сигналов, тем самым направляя их в нужный выходной порт (см. рис. 6.13).

Поляризационно-зависимый жидкокристаллический коммутатор

свет кристалл

РИСУНОК 6.13

После прохождения светом входного порта он попадает в линзу, которая расщепляет световой
поток на две составляющие. Эти составляющие проходят далее через жидкокристаллическое
устройство, содержащее электрические заряды. Поляризацией световых сигналов можно управлять,
изменяя величину приложенного поля, и после их рекомбинации на выходе сигналы можно направить
либо в порт Ь, либо в порт с.

Существует и другой подход, в котором используются отражательные свойства жид-
ких кристаллов. В соответствующей конструкции жидкокристаллический слой и элект-
роды размещаются между двумя призмами. На противоположных сторонах призм рас-
положены два входных и два выходных порта. Когда свет попадает через входной порт
внутрь коммутатора, он ударяется о границу раздела между призмами и жидкокристал-
лическим слоем. В зависимости от величины приложенного к слою электрического на-
пряжения жидкий кристалл либо отражает свет обратно в призму в направлении одного
выходного порта, либо позволяет свету пройти через следующую призму в другой вы-
ходной порт (см. рис. 6.14).

Поляризационно-независимый жидкокристаллический коммутатор

Входной световой сигнал

РИСУНОК 6.14

В зависимости от величины электрического напряжения, приложенного к жидкокристаллическому
слою, входящий световой поток либо отражается в порт а, либо проходит в порт Ь.

Жидкокристаллическая технология обладает несколькими преимуществами. Посколь-
ку отсутствуют подвижные части, коммутаторы этого типа должны отличаться высокой
надежностью. Более того, хотя на сегодняшний день имеются только коммутаторы с
конфигурацией портов 2x2, количество портов может быть увеличено. Правда, потери
могут становиться заметными, но в пользу отражательной конструкции коммутаторов
говорит то, что потери для нее должны быть меньше по сравнению с первым подходом.
Потребление энергии очень мало, но временами необходимость нагревания кристаллов
для улучшения эксплуатационных характеристик коммутатора может повысить требо-
вания к питанию.

Уходящая сцена

На основе описанной технологии развиваются две новые технологии, в рамках ко-
торых ведется поиск путей, позволяющих управлять появлением и исчезновением ре-
шеток Брэгга с помощью электрического поля. В электроголографических коммутато-
рах для этих целей используются голографические изображения решетки Брэгга, которые
создаются в специальных кристаллах, называемых KLTN (potassium lithium tantalate
niobate — танталат-ниобат лития-калия). Эти кристаллы образуют ряды и столбцы, где
ряды представляют отдельные оптические волокна, а столбцы — волновые каналы. Каж-
дый кристалл управляется электрическим полем. Обычно свет беспрепятственно про-
ходит через все кристаллы, но когда прикладывается напряжение и активизируется го-
лограмма, входящий световой сигнал отклоняется в определенный выходной порт.

У электроголографии может быть яркое будущее (автор вовсе не пытается каламбу-
рить!). Здесь отсутствуют подвижные части, поэтому такие коммутаторы должны быть
довольно надежными. Технология легко масштабируется, а коммутация осуществляется
с действительно высокой скоростью. Потери также довольно низки. В то же время, энер-
гопотребление можно, вероятно, охарактеризовать как несколько повышенное.

В основе второй технологии, называемой электрически коммутируемыми решетками
Брэгга (electrically switchable Bragg gratings или ESBGs — произносится «эс-багз») лежит
тот же принцип. Однако чтобы заставить решетку «появляться», в данном случае капли
жидкого кристалла наносятся на полимер, которым покрывают световод. В отсутствие
напряжения решетка отклоняет распространяющиеся по световоду волны определенной
длины. При подаче электрического напряжения решетка исчезает, и свет проходит по
световоду насквозь обычным образом.

ESBG, если верить поборникам этой технологии, сулят довольно впечатляющие ре-
зультаты. Скорость коммутации составляет примерно 100 микросекунд, что делает
ESBG значительно более быстрыми, чем МЕМ или пузырьковые коммутаторы. Пред-
полагается, что потери будут составлять порядка 1 дБ, а потребление мощности — около
50 милливатт.

Акустооптические коммутаторы

Звук также может быть положен в основу оптической коммутации, причем некото-
рые из полученных на этом пути результатов оказываются довольно впечатляющими. В
акустооптических коммутаторах используется технология, которая применяется в совре-
менных кинопроекционных установках. Суть идеи заключается в том, чтобы использо-
вать акустические волны для создания в твердом теле областей с повышенной и пони-
женной плотностью. Образующиеся неоднородности плотности могут отклонять
проходящие световые пучки под различными углами. Изменяя акустические узоры,
можно перемещать оптические сигналы между портами.

Эта технология обеспечивает поразительно быструю коммутацию (интервал време-
ни переключения между портами от 500 наносекунд до 10 микросекунд), а поскольку
движущиеся детали отсутствуют, ее надежность обещает быть очень высокой.

Коммутация с преобразованием длин волн

До сих пор нами рассматривались главным образом коммутаторы, в которых длина
волны входного и выходного сигналов была одной и той же, но в будущем следует ожи-
дать развертывания систем с преобразованием длин волн.

Сегодня оптическая коммутация осуществляется на общей для всех сигналов дли-
не волны. Если предназначенные для передачи в Нью-Йорк сигналы покидают Сан-
Франциско, имея длину волны 1565 нм, то и в Нью-Йорк они прибудут с длиной вол-
ны 1565 нм.

Вместе с тем, существует настоятельная необходимость иметь возможность менять
длину волны сигналов в процессе их передачи. Необходимость в этом может, напри-
мер, возникать, если телефонная компания в данный момент не располагает свободным
сквозным каналом с данной длиной волны для организации двухточечной связи. В та-
ком случае, вероятно, компания могла бы передать сигнал из Сан-Франциско, скажем,
в Чикаго на длине волны 1586,2 нм, а затем из Чикаго в Нью-Йорк — на длине волны
1565 нм (см. рис. 6.15).
Атланта

РИСУНОК 6.15

В имеющихся технологиях для двухточечной связи должна использоваться одна и та же длина волны.

В данном примере, поскольку волновой канал 1565 нм занят сеансом связи между Атлантой и Нью-
Йорком, передача из Сан-Франциско оказывается заблокированной.

Сегодня для организации работы с такой «сменой беговой дорожки» требуется, прежде
всего, преобразовать волновой канал в электрическую форму. Преобразование сигна-
лов из оптической формы в электрическую и наоборот изначально являются дорогосто-
ящими. Возможно, преобразовывать волновые каналы чисто оптическим путем было бы,
в конечном счете, дешевле, но подобное оборудование все еще не покинуло стены ла-
бораторий.

Резюме

Коммутаторы выполняют ряд различных задач. В качестве OADM (optical add-drop
multiplexers — оптические устройства мультиплексирования методом добавления/ответ-
вления каналов) они позволяют извлекать из линий DWDM отдельные волновые кана-
лы. В качестве упорядочивающих коммутаторов, они агрегируют низкоскоростной тра-
фик для передачи его по каналам ОС-3 или ОС-12. В центральной части общегородских
сетей они выступают в роли оптических кросс-соединителей, осуществляющих подклю-
чение множества входящих линий.

Коммутаторы могут работать с частью полосы пропускания отдельных волоконно-
оптических кабелей, полосами пропускания и волновыми каналами.

Коммутаторы можно разделить на две категории — прозрачные и непрозрачные. В
прозрачных коммутаторах преобразование оптического сигнала в электрическую фор-
му не производится, что позволяет экономить средства, необходимые для этих дорого-
стоящих преобразований. В то же время, использование такого преобразования в не-
прозрачных коммутаторах позволяет улучшить управления сетью и обеспечивает
возможность регенерации сигналов.

Ключевыми параметрами при оценке физических эксплуатационных характеристик
коммутаторов являются: размерность коммутационной матрицы, масштабируемость,
структурируемость (granularity) и скорость коммутации, а также вносимые потери.
При создании оптических коммутаторов основными используемыми технологиями
являются: микроэлектромеханические системы (microelectromechanical systems — MEMS),
оптомеханические коммутаторы, термооптические коммутаторы, пузырьковые комму-
таторы, жидкокристаллические коммутаторы, акустооптические коммутаторы и элект-
рически коммутируемые решетки Брэгга.
Часть 3
Глава 7

Фактор SONET

В этой главе ...

•	Жизнь до SONET

•	Резюме

I оворя о телефонной сети общего пользования, нельзя не говорить о SONET. В те-
чение почти 20 лет Синхронная оптическая сеть (Synchronous Optical NETwork — SONET)
является излюбленным транспортным протоколом для общедоступной сети. Легко по-
нять, почему это так. Будучи в высшей степени гибкой и хорошо приспособленной к
прогнозируемому, чувствительному ко времени трафику технологией, SONET дополняет
голосовой трафик, обеспечиваемый провайдерами телефонных услуг.

Однако увеличение объема передаваемых цифровых данных вносит свои изменения
в требования, предъявляемые к сетям. Изменения характера трафика приводят к новым
технологиям создания региональных сетей. На этом фоне SONET также приспосабли-
вается к требованиям времени.

Вместе с тем, лишь поняв традиционную роль SONET можно оценить всю значи-
мость новых технологий. Отсюда следует, что прежде всего необходимость тщательно
рассмотреть состояние сети общего пользования до прихода SONET, а также иерархию
SONET и то, как работает этот протокол.

Как бы то ни было, во время всего последующего обсуждения призываем проявить
немного здравого реализма. Двадцатилетняя любовь между телекоммуникационными
системами и SONET вряд ли способна разрушиться за один день. SONET пока остается
единственным жизнеспособным технологическим решением для развертывания круп-
номасштабных, гибких, приносящих доход сетей. Несмотря на всевозможные ограни-
чения и все такое прочее, операторы традиционных видов связи охотно выбирают для
себя этот протокол. Изменится ли ситуация в будущем? Несомненно, да, и в оставших-
ся главах книги мы рассмотрим конкурирующие технологические решения. Однако на
сегодняшний день в телекомовской шляпе этого старого и уже изрядно подносившегося
протокола по-прежнему торчит пусть и одно, но зато, пожалуй, самое главное перо —
SONET работает!

Жизнь до SONET

Ранее в главе 1 была допущена небольшая неточность. Там было сказано, что первое
поколение оптических сетей создавалось на основе SONET, хотя на самом деле опти-
ческие сети существовали и до появления этого протокола. Назовем этот период доис-
торической эрой телекоммуникаций, когда миром правили различного рода частные
архитектуры и форматы мультиплексирования. В те далекие времена пользователи со-
ответствующего оборудования — местные региональные (RBOCS) и междугородние
(IXCs) телефонные компании в Соединенных Штатах, Канаде, Корее, на Тайване и в
Гонконге — нуждались в стандартах, которые позволили бы состыковать и совместно
использовать оборудование, поступающее от различных производителей. В Соединен-
ных Штатах ответом на этот вызов явилось внедрение протокола SONET, который в
конечном счете был рекомендован Отделом телекоммуникаций Международного союза
по телекоммуникациям (International Telecommunications Union — Telecommunication
Sector — ITU-T), являющегося одним из технических подкомитетов ООН, в качестве
всеобщего Стандарта синхронной цифровой иерархии (Synchronous Data Hierarchy —
SDH). SONET и SDH почти идентичны, тем не менее между ними имеются существен-
ные различия, так что поставщики оборудования должны явно указывать на карте пор-
та, какой из протоколов поддерживается — SONET, SDH или оба. В этой главе мы со-
средоточим внимание на стандарте SONET.

Несмотря на то, что с помощью данного протокола не удалось полностью предотв-
ратить проникновение частных механизмов в общедоступную сеть, SONET помог улуч-
шить ситуацию, обеспечив разработку четко определенных интерфейсов на физическом,
управленческом и рабочем уровнях. А именно, SONET позволил:

•	снизить требования к оборудованию и увеличить надежность сети

•	обеспечить возможность точного контроля эксплуатационных характеристик и
обнаружения неисправностей, облегчая централизованное выделение сбойных
участков

•	создать формат синхронного мультиплексирования, который значительно упрос-
тил организацию интерфейсов с другими видами оборудования

•	организовать автоматическую защиту коммутационных систем от простоев, выз-
ванных разрывами кабелей и сбоями оборудования

•	создать набор общих стандартов для состыковки оборудования различных постав-
щиков

•	определить гибкую архитектуру, обеспечивающую согласование с будущими при-
ложениями и допускающую ряд различных скоростей передачи. Этим скоростям
передачи соответствуют различные уровни систем оптической связи (Optical
Carrier — ОС) и эквивалентных в электрическом отношении систем синхронной
передачи сигналов (Synchronous Transport Signals — STS), вносящих иерархию в
системы передачи, основанные на волоконной оптике.

Дело времени

В Соединенных Штатах до появления SONET использовались асинхронные систе-
мы передачи, в которых каждая часть оборудования работала с использованием собствен-
ных тактовых импульсов. Синхронизация играет важную роль в цифровых системах,
поскольку оборудование должно поддерживать постоянной скорость передачи битов, с
тем чтобы распознавать, где начинаются единицы и нули. Как вы сами понимаете, в
качестве тактового генератора для подобных синхронных сетей обычный Timex не по-
дойдет. Для точной синхронизации сетей требуются системы, обладающие высочайшей
надежностью. В особенности это относится к системам с высокими скоростями переда-
чи, в которых длительность эталонного промежутка времени, используемого для счи-
тывания битов, исчисляется микросекундами. В синхронных сетях для синхронизации
используются основные эталонные сигналы (Primary Reference Clock) Stratum 1, отка-
либрованные по атомному цезиевому эталону, которые обеспечивают точность свыше
11 десятичных знаков.

Даже если два импульса Stratum очень хорошо синхронизированы, или, как говорят,
плезиохронны, что означает почти синхронны, все равно могут наблюдаться значительные
вариации скорости передачи. Для каналов DS-3 (44,736 Мбит/с) вариация в скорости пе-
редачи между одним входящим каналом DS-3 и другим может достигать 1789.бит/с при
точности синхронизации 20 ppm (parts per million — миллионных долей).

При использовании синхронных сигналов, как в случае SONET, переходы между
битами в сигналах осуществляются в точности с одной и той же скоростью, хотя это и
может происходить с незначительными различиями во времени в пределах установлен-
ных допусков. Эти различия, называемые разностью фаз, могут быть обусловлены либо
различиями во времени, которое затрачивается сигналами на прохождение волоконно-
оптического кабеля, либо изменениями в синхронизации между сигналами (флуктуаци-
онные помехи) из-за влияния сети. В отличие от этого, переходы между плезиохронны-
ми сигналами происходят с «почти одинаковой» скоростью, а если и наблюдаются
некоторые ее вариации, то только в жестко ограниченных пределах. Асинхронные же
сигналы не обязательно передаются с одной и той же скоростью.

Как уже говорилось в главе 1, SONET, а раз так, то и асинхронное оборудование,
работают в сетях, состоящих из мультиплексоров и демультиплексоров. Данные, пере-
даваемые по различным каналам, объединяются в предназначенном для этого устрой-
стве — мультиплексоре, и пересылаются по назначению с использованием высокоско-
ростного канала. На другом конце линии осуществляется демультиплексирование, после
чего сигналы выделяются и доставляются соответствующим адресатам.

Процесс отправки сигналов с помощью асинхронного оборудования осуществляется в
несколько стадий. Двадцать четыре канала DS-0 (64 Кбит/с) мультиплексируются в один
канал DS-1 (1,544 Мбит/с). В свою очередь, четыре канала DS-1 мультиплексируются в
канал DS-2 (6,312 Мбит/с), семь каналов DS-2 — в канал DS-3 (44,736 Кбит/с) и т.д. Про-
делав несложные вычисления, можно заметить нечто странное в поведении этих чисел —
простые операции сложения к ним не приводят. Для двадцати четырех каналов DS-0 мы
должны были бы получить 1,536 Мбит/с, а не 1,544 Мбит/с. Аналогичным образом, семь
каналов DS-2 должны были бы привести к 44,184 Мбит/с вместо 44,736 Мбит/с.

Дело здесь в синхронизации. Вспомните, что эти системы являются в лучшем случае
плезиохронными. Это означает, что они почти синхронны, но не совсем. А раз так, то
передаваемые сигналы не могут быть точно совмещены. Поэтому в процессе мульти-
плексирования приходится вводить в них дополнительные биты — процесс, который
называется вставкой битов — с тем, чтобы сигналы можно было точно прочитать. Чем
выше скорость передачи, тем больше битов требуется вставлять, что приводит к допол-
нительным потерям пропускной способности.
Офисная АТС

HHfo.P9.tgy

Офисная АТС

Офисная АТС

Офисная АТС

Мультиплексор Т1

Кросс-соединитель

Мультиплексор Т1

Кросс-соединитель

Мультиплексор ТЗ

Мультиплексор ТЗ

Async

Виртуальные
притоки 1.5

Виртуальные
притоки! .5

SONET



РИСУНОК 7.1

При асинхронной связи для демультиплексирования сигналов требуется линейка оборудования. SONET
предоставляет те же самые функциональные возможности при намного меньшем количестве
оборудования.

Другой круг проблем связан с демультиплексированием. Поскольку эти сигналы
достигают более высоких скоростей передачи, доступ к отдельным каналам невозможен
без демультиплексирования всей цепочки. Это вынуждает провайдеров закупать и об-
служивать большое количество оборудования на обоих концах для мультиплексирова-
ния и демультиплексирования сигналов на каждой стадии процесса перехода от кана-
лов DS-0 к каналам DS-1, DS-2 и затем к DS-3. На каждом конце также требуются
кросс-коннекторы для подключения различных каналов, идущих от мультиплексоров,
в результате чего общая схема приобретает древовидную структуру, (см. рис. 7.1).

Иерархия SONET

С приходом SONET описанная картина изменилась. Использование единой синх-
ронизации позволило механизму SONET обеспечить точное комбинирование сигна-
лов. Для описания того, каким образом эти сигналы могут комбинироваться, SONET
определяет иерархию из трех классов пропускной способности, которую можно ис-
пользовать для передачи и приема информации данных SONET. Наименьшему инк-
ременту каналов соответствует стандарт виртуальных притоков (виртуальные каналы
меньшей пропускной способности — virtual tributaries — VT), за которым следуют
стандарт систем синхронной передачи сигналов (synchronous transport signals — STS)
для электрического интерфейса и стандарт систем оптической связи (optical carrier —
ОС) для оптических интерфейсов.
Единицей для разворачивания описанных систем синхронизации является линия STS-
1/ОС-1 (51,84 Мбит/с). Две линии STS-1/OC-1 могут быть объединены для образова-
ния линии STS-2/OC-2 , а три — линии STS-3/OC-3. Эта группировка образует семей-
ство STS и известна под названием линий SONET нижнего уровня.

В стандарте SDH дела обстоят несколько по-другому. Линии STS-1 также могут объе-
диняться, образуя линии STM, обладающие увеличенной пропускной способностью.
Линия STM с наименьшей пропускной способностью эквивалентна линии STS-3 (155,520
Мбит/с). Самый большой на сегодняшний день по емкости сигнал специфицируется как
STM-256 (39,81 Гбит/с) (см. таблицу 7.1).

Таблица 7.1 Иерархия SONET						
Оптический Электри-		Уровень объединения	Скорость передачи, Мбит/с	Макси- мальная полезная скорость Мбит/с	Макси мольные издержки на передачу служебной информации Мбит/с	Экви валент  SDH
уровень	ческий  уровень					
ОС-1	STS-1	-	51,840	50,112	1,728	-
ОС-3	STS-3	3 х STS-1	155,520	150,336	5,184	STM-1
ОС-9	STS-9	3 х STS-3	466,560	451,008	15,552	STM-3
ОС-12	STS-12	4 х STS-3	622,080	601,344	20,736	STM-4
ОС-18	STS-18	6 х STS-3	933,120	902,016	31,104	STM-6
ОС-24	STS-24	8 х STS-3	1244,160	1202,688	41,472	STM-8
ОС-36	STS-36	12 х STS-3	1866,240	1804,032	62,208	STM-13
ОС-48	STS-48	26 х STS-3	2488,320	2405,376	82,944	STM-16
ОС-96	STS-96	32 х STS-3	4976,640	4810,752	165,888	STM-32
ОС-192	STS-192	64 х STS-3	9953,280	9621,504	331,776	STM-64
ОС-768'	STS-768	256 х STS-3	39813,12	38486,016	1327,104	STM-256
* В процессе разработки.						

Для достижения более мелкой разбивки полосы пропускания линии STS-1 подраз-
деляются на каналы VT. Существует четыре типа каналов VT: VT-1.5, VT-2, VT-3 и VT-
6. По этим каналам, обладающим небольшой пропускной способностью, информация
«вытекает» из корпоративных офисов и вливается в более крупные линии подобно тому,
как мелкие ручейки вливаются в большую реку (см. таблицу 7.2).

Таблица 7.2 Иерархия VT			
Тип VT	Скорость передачи	Количество каналов VT в группе VT	Количество каналов VT в STS-1
VT-1.5	1,728 Мбит/с	4	28
VT-2	2,403 Мбит/с	3	21
VT-3	• 3,456 Мбит/с	2	14
VT-6	6,912 Мбит/с	1	7
Конфигурации SONET

Описанные каналы отображаются на три основных типа сетей: двухточечные, звез-
дообразные и кольцевые — мы уже касались их в главе 2. Каждый из этих типов обла-
дает присущими только ему достоинствами. Двухточечные сети — самые недорогие в
реализации. Звездообразные сети обладают потрясающей гибкостью. Кольцевые сети
обеспечивают очень высокую устойчивость связи. Чтобы вы могли лучше почувствовать,
как все это используется в сети, рассмотрим соединение, действующее между головным
офисом компании и удаленным отделением (см. рис. 7.2).

РИСУНОК 7.2

Три конфигурации SONET

Что происходит, когда компания соединяет два офиса, каждый из которых исполь-
зует, например, линию Т1? В упрощенном изложении, провайдер предоставляет линию
Т1 каждому офису. Временные окна выделяются в каждом из различных узловых со-
единений, обеспечивая канал связи между двумя офисами.

В предположении, что область действия SONET заканчивается на периметре сети
оптической связи, провайдер мог бы использовать для создания соединения между офи-
сами двухточечную конфигурацию. В этой схеме на конце сети находится мультиплек-
сор, называемый оконечным элементом пути (path termination element), который при-
нимает Т-1 — сигналы, приходящие от пользователя, и мультиплексирует их для
образования сигнала STS-1.
Затем этот вновь образованный сигнал проходит через мультиплексор ввода — вы-
вода (add-drop multiplexer — ADM) и цифровой кросс-соединитель (digital crossconnect
system — DCS, произносится «дэкс»). ADM позволяет провайдерам демультиплексиро-
вать конкретный канал, который требуется для подключения к сети. DCS коммутируют
временные промежутки между портами на одном и том же или различных ADM в соот-
ветствии с определенными правилами и параметрами, устанавливаемыми операторами.
Узкополосные DCS коммутируют каналы вплоть до DS0(64 Кбит/с); DCS с расширен-
ной полосой (wideband) коммутируют каналы до DS1 (1,544 Мбит/с), а широкополос-
ные (broadband) DCS коммутируют каналы DS3 (44,736 Мбит/с).

Защита SONET

Как только информация покидает DCS, она проходит через ADM и попадает в тре-
тий элемент сетевой топологии — кольцо. Телекоммуникационные сети восприимчивы
к сбоям любой природы, будь то обрыв волоконно-оптического кабеля ковшом экска-
ватора при проведении строительных работ, повреждение кабеля грызунами или в ре-
зультате ошибочных действий людей — возможны мириады самых различных причин.
Главной причиной обрывов является то, что волоконно-оптические кабеля укладыва-
ются в те же трассы, что и другие коммуникационные средства, например водопровод-
ные или газопроводные трубы. Кольцевая топология обеспечивает высокую степень
защиты сети при номинальном резервировании полосы пропускания. Чтобы по досто-
инству оценить кольцевые топологии SONET, рассмотрим некоторые схемы восстанов-
ления работоспособности сети.

При ознакомлении с сущностью автоматической защитной коммутации (automatic
protection switching — APS) необходимо учитывать влияние трех факторов. Первым из
них является скорость переключения соединений. SONET может осуществить переклю-
чение в обход сбойного участка в течение 50 миллисекунд — достаточно быстро для того,
чтобы высокоуровневые протоколы, такие как IP, вовсе не почувствовали никаких пе-
ребоев в работе. Однако это возможно лишь в том случае, если под такую задачу была
заранее зарезервирована полоса пропускания. Это подводит нас ко второму фактору —
стоимости. Неполное использование полосы пропускания волоконно-оптического ка-
беля лишь ради редких случаев, когда это может потребоваться для восстановления ра-
ботоспособности сети, является непростительной роскошью. Это соображение послужило
причиной разработки альтернативных схем восстановления, которые позволяли бы ком-
паниям резервировать некоторую часть пропускной способности, используя ее в тоже
время для дублирования канала гораздо большей емкости подобно тому, как каналы
ISDN обеспечивают дублирование выделенной линии.

Существует еще один фактор, о котором нельзя забывать, в особенности, когда речь
идет об изменении схем восстановления в имеющихся вариантах установки сетей: направ-
ления прокладки кабельных траншей. Характер прокладки траншей может налагать серь-
езные ограничения на выбор топологии. В пределах общегородских сетей кольцевая то-
пология нередко оказывается единственно возможной, потому что она вписывается в
имеющиеся схемы кабелепроводов. Альтернативные схемы потребовали бы прорывать
новые траншеи, приводя к значительному увеличению стоимости развертывания сети.
тлакогн от инженерного ттерсондлА кхэ^утлторы <зомег
разрлбатьгьакгг согсгьенныа техАнизгн тгослерстьиа
бБоеь 1 сети

Простейшая схема защиты линии предполагает наличие дублирующей линии. Так
называемые схемы «один к одному» (1:1) способны обеспечить восстановление связи при
разрыве любого одиночного волоконно-оптического кабеля, но требуют отведения для
этой цели запасной полосы пропускания, эквивалентной используемой, что не слиш-
ком-то эффективно, и в частности, по той причине, что запасную полосу пропускания
нельзя использовать для передачи какого-либо трафика. Более эффективна защита по
схеме l:N, в которой одна линия может быть использована для защиты вплоть до 14
линий. Кроме того, что эта схема дает возможность выделять в качестве резерва мень-
ший объем полосы пропускания, она также допускает использование запасной линии
для передачи трафика.

С другой стороны, кольцевая топология предлагает более эффективные пути восста-
новления соединений при меньших требованиях к полосе пропускания. В SONET оп-
ределены два общих типа кольцевой топологии: UPSR (unidirectional path-switched rings —
кольцо с коммутацией однонаправленных путей ) и BLSR (bidirectional line-switched
rings — кольцо с коммутацией двунаправленных линий). В случае топологии UPSR ре-
зервное кольцо работает вхолостую, а в случае сбоя ADM переключается на следующее
кольцо. Топологии BLSR могут использовать резервное кольцо для передачи данных,
объем которых скачкообразно возрастает в случае сбоя. В технологии 4F-BLSR ис-
пользуется четыре волоконно-оптических кабеля, по два в каждом направлении, что
обеспечивает выделенную защиту путем предоставления альтернативного кольцевого
маршрута и защиты пролета (dedicative protection with alternative ring path and span
protection). В технологии 2F-BLSR используется два волоконно-оптических кабеля, по
одному в каждом направлении, что обеспечивает выделенную защиту путем предостав-
ления альтернативного кольцевого маршрута (см. рис. 7.3).

...трафик направляется в дублирующее кольцо.

В случае топологии BLSR первичное кольцо
используется для передачи высокопри-
оритетного трафика, а вторичное -
низкоприоритетного.

В случае отказа первичного
кольца...

...высокоприоритетный трафик направляется
в дублирующее кольцо, низкоприоритетный
трафик в котором может быть либо
приостановлен, либо продолжать передаваться.

РИСУНОК 7.3

Два типа колец SONET.

Отображение служб SONET

Может сложиться впечатление, что сплошные линии на диаграммах являются дей-
ствительным отображением рассмотренных нами конфигураций, однако в действитель-
ности все обстоит намного сложнее. В рамках SONET соединение между офисами сле-
дует описывать как путь (path), состоящий из последовательности каналов (line) и
секций (sections) (см. рис. 7.4).

К наиболее высокому уровню абстракции относятся пути (path). Считайте, что путь
является соединением между двумя офисами. Разумеется, поскольку мы обсуждаем
SONET, путь может начинаться лишь там, где начинается SONET, и заканчиваться на
концах сетей, предоставляемых провайдерами. Линии Т1, которые соединяют главные
офисы клиентов (customer’s headquarters) и удаленный офис (remote office) с сетью обще-
го пользования, не являются частью сети SONET и, следовательно, не принадлежат пути.

РИСУНОК 7.4

Отображение служб SONET

И все же, на самом деле путь является лишь виртуальной конструкцией. Уровнем
ниже находятся физические каналы, которые идут от одного элемента сети к другому.
Подобным же образом каждый канал (line) состоит из множества секций медных или
волоконно-оптических кабелей, связанных между собой усилителями или повторителя-
ми, предназначенными для усиления амплитуды сигналов. Каждая такая часть канала
называется секцией (section). Запомните эти термины — пути, каналы, секции— по-
скольку их понимание станет особенно важным при рассмотрении формирования кад-
ров (framing) SONET.

Формирование кадров SONET

Теперь, после получения некоторого представления об иерархии и архитектуре
SONET, вам будет легче понять работу «внутренней кухни» — структуру кадров SONET.
В особенности SONET известен благодаря своей способности доставлять низкоуровне-
вую служебную сетевую информацию. Короткого взгляда на кадр SONET достаточно,
чтобы понять, почему это так. Несмотря на то, что по размеру он примерно в два раза
меньше кадра Ethernet (810 против 1518 байт), в нем содержится почти на 100 % больше
служебной информации.

Сам кадр можно представить в виде сегментированного прямоугольника, состоящего
из 90 столбцов и 9 строк (см. рис. 7.5). Пусть эта картинка не сбивает вас с толку — кадр
пересылается в виде единого потока битов данных в порядке слева направо и сверху вниз.

Дадим теперь этому описание. По мере того как кадр STS-1 путешествует по прово-
дам, его компоненты последовательно считываются и отделяются от него на различных
стадиях прохождения сети. Первой стадией служит регенератор, который отмечает ко-
нец секции (мы уже обращали ваше внимание на то, что некоторые термины нам еще
пригодятся). Вторая стадия — это конец канала, а стадия три, как вы сами уже догады-
ваетесь, — это конец пути, являющийся конечным пунктом назначения SONET.
<----------

3 столбца
<---------К

90 столбцов

87столбцов

Полезные данные
STS-1 (783 байта)

Конверт полезных данных STS-1

(STS-1 Synchronous Payload Envelope (SPE))

ТСИ - Транспортная служебная информация
СИК - Служебная информация о канале

РИСУНОК 7.5

Упрощенное представление кадра STS-L

Неудивительно поэтому, что структура кадра SONET отражает наличие указанных
сетевых компонентов. Эта структура представлена четырьмя разделами. Три из них со-
держат служебную информацию, необходимую для сетевого управления, а также иден-
тификации ошибок на уровне секций, каналов и путей, а четвертый — фактические
данные, составляющие полезную нагрузку (payload) SONET. В первых трех столбцах
содержится служебная информация о секции (первые три строки) и канале (последние
шесть строк). Рассматриваемая как одно целое, она называется транспортной служеб-
ной информацией. В последних 87 столбцах содержится служебная информация о пути
и полезные данные, которые, взятые вместе, называются конвертом полез'ных данных
SONET (SONET payload envelope — SPE). При обсуждении вопросов синхронизации
понятие SPE будет включать в себя последовательности кадров.

При переходе, путем объединения кадров STS-1, к кадрам STS-Зс структура кадра
становится более сложной. Транспортная служебная информация объединяется и вы-
носится в переднюю часть кадра, a SPE — назад (см. рис. 7.6).

Более мелкого структурирования данных (granulation) добиваются, заполняя кадры
SPE конкатенированными VT. Каждый тип VT хранится в отдельной группе; всего та-
ких групп может быть семь на один STS-1. Каждая группа может содержать либо VT1.5,
VT2, VT3, либо VT6. Таким образом, при скоростях ниже STS-1 пользователи могут, хотя
и не без некоторых сложностей, масштабировать свои сети с инкрементом 1.5. При ско-
ростях, превышающих скорости STS-1, сети наращиваются с инкрементом STS-1.

РИСУНОК 7.6

Упрощенное представление кадра STS-3c.

Проблемы, стоящие перед SONET

То, что SONET представляет собой значительный шаг вперед по сравнению с асин-
хронной коммуникацией или технологией SDH, конечно же хорошо. SONET, даже по
состоянию на сегодняшний день, великолепно справляется с предоставлением в выс-
шей степени надежных, с прогнозируемыми сроками исполнения услуг, например при
передаче голосовых сообщений. Любой человек, связанный с миром ПК, где техноло-
гический переворот происходит каждые три-шесть месяцев, вправе удивиться долгожи-
тельству этой технологии, которая держится вот уже двадцать лет. Если бы не радикаль-
ные изменения в типах трафика, то SONET, пожалуй, продолжал бы существовать еще
с десяток лет. Но телекоммуникационные системы движутся вперед, и хотя голосовые
сообщения составляют основную доходную часть трафика, общий рост его объемов свя-
зан с передачей цифровых данных. Провайдеры начинают искать пути, которые позво-
лили бы сохранить преимущества SONET — надежность, предсказуемость и управляе-
мость протокола, и, вместе с тем, преодолеть следующих шесть ограничений:

1.	Ограниченная гибкость — Возможности SONET в* отношении работы с линиями,
обладающими различными скоростями передачи, остаются ограниченными. Боль-
шинство устройств SONET все еще не поддерживает конкатенацию (concatenation)
VT, так что пользователям, желающим подключаться на скорости 10 Мбит/с, нуж-
ны линии STS-1. Даже если конкатенация VT и предлагается, скорости выше STS-
1 наращиваются с очень большим инкрементом. Поэтому пользователь, которому
необходима пропускная способность 70 Мбит/с, в конце концов, вынужден будет
закупить пропускную способность 100 Мбит/с (удвоенный STS-1). В действитель-
ности же, телефонные компании нередко предлагают клиентам лишь каналы ОС-3.

2.	Нерациональность — Фиксированный размер области полезных данных в кадрах
SONET хорошо подходит для передачи голосовых сообщений, но в случае цифро-
вых данных это не так. Обычно отображение кадров Ethernet на кадры SONET при-
водит к неполному использованию сети, поскольку часть элементарных временных
окон остается неиспользованной. С другой стороны, при обслуживании телефон-
ных вызовов SONET использует большую пропускную способность, чем это необ-
ходимо. Прикиньте, какую часть времени телефонного разговора вы действитель-
но говорите. В разговоре обычно присутствуют паузы, он прерывается, а когда один
собеседник говорит, другой слушает. В этих паузах содержатся возможности резер-
ва пропускной способности, который по некоторым оценкам может достигать 50 %.

3.	Большой объем необходимого оборудования. Одним из крупных преимуществ SONET
является то, что он позволяет извлекать элементарные временные окна, не прибе-
гая к демультиплексированию всего сигнала. Но даже несмотря на это SONET тре-
бует установки большого количества различных устройств в помещениях телефон-
ных компаний. Чтобы иметь возможность обмениваться информацией с центральной
частью сети клиентам приходится устанавливать мультиплексоры ввода-вывода (add-
drop multiplexers). Для разводки конкретных каналов по назначению требуются DCS,
а для объединения сигналов — мультиплексоры. А ведь этот список еще должен быть
дополнен сетевым оборудованием для поддержки голосовых сообщений, IP, обслу-
живания частных данных, или же консультационной службой для поддержки их эк-
сплуатации.

4.	Большие сроки подготовки линий. Для обработки заказа на развертывание канала
(circuit) сегодня может понадобиться от трех до четырех недель. Вместе с тем, экс-
перты SONET утверждают, что оборудование может быть сконфигурировано, или,
как принято говорить, предоставлено (provisioned), в течение нескольких минут.
Действительная причина проблемы — бюрократизм соответствующей процедуры.
При этом, однако, предполагается, что клиент должен иметь подключение к сети
SONET, что обычно не так. Поиск путей снижения времени подготовки канала вне
зависимости от того, имеют ли клиенты проводное или волоконно-оптическое под-
ключение, приобретает все большее значение.

5.	Нерациональный расход полосы пропускания — При установлении между двумя точ-
ками соединения посредством канала OC-3/STM-1 фактически создаются два ка-
нала — один для приема и один для передачи с той же скоростью и в том же на-
правлении . Проблема состоит в том, что значительная часть трафика Internet имеет
асимметричный характер, что снова-таки приводит к напрасному расходованию
полосы пропускания. Аналогичным образом, если преобладающим типом данных в
Internet становится поток медиа, то должен существовать эффективный способ, по-
зволяющий одной станции, осуществляющей широковещательную передачу, посы-
лать видеоинформацию другим станциям, клиентам. В SONET отсутствуют конст-
рукции, позволяющие предоставлять подобный тип коммуникационных возможно-
стей.

Ответ SONET

Вышеописанные причины заставили экспертов SONET приспособить технологию к
велениям времени. Новый набор протоколов будет лучше соответствовать передаче кор-
поративных данных. Общим протоколом формирования кадров (generic framing
protocol — GFP, g.gfp) впервые предусмотрен стандарт для упаковки неголосового тра-
фика в кадр SONET, что позволяет соответствующему оборудованию, поставляемому
различными производителями, обмениваться данными через SONET. Что касается кон-
катенации VT, то такие промежуточные стадии, как STS-2, которые раньше не были
определены, теперь стали возможными. Это, например, позволит телефонным компа-
ниям осуществлять транспортировку сигналов Ethernet более эффективным образом,
нежели с использованием STS-3. Другой протокол — протокол регулирования пропуск-
ной способности канала (link capacity adjustment scheme — LCAS) — позволяет увеличи-
вать или уменьшать пропускную способность каналов, не прерывая передачи трафика.

Наконец, комитет Т1 XI предпринимает два шага в направлении достижения наи-
высшей производительности SONET. Уже одобренная спецификация ОС- 768 открыва-
ет поставщикам путь для реализации в своем оборудовании интерфейсов, работающих
со скоростью 40 Гбит/с. В то же время, еще одно новое предложение предусматривает
улучшение масштабируемости SONET, позволяя SONET охватывать несколько волно-
вых диапазонов (span multiple wavelength).

За пределами SONET

Пока эксперты SONET заняты адаптацией протокола к условиям двадцать первого
века, другие специалисты изыскивают возможности преодоления описанных трудностей
путем создания совершенно новых технологий. Некоторые из появляющихся техноло-
гий ориентированы на работу в режиме синхронизации, ставшем столь популярным
благодаря SONET. Другие большей частью являются адаптацией LAN-технологий, ис-
пользуемых корпоративными офисами. Мы приступим к рассмотрению этих различных
подходов в следующей главе.

Резюме

Протокол SONET весьма эффективен при передаче прогнозируемого трафика, тре-
бующего прогнозируемого доступа к сети. Эта технология менее приспособлена для
передачи корпоративного цифрового трафика, имеющего импульсивный характер.

Для точного объединения элементарных временных окон в SONET используются
единые синхронизирующие импульсы. В предыдущих технологиях для этой цели исполь-
зовалось несколько синхронизирующих импульсов, что делало их менее эффективны-
ми в отношении разделения доступной полосы пропускания.
SONET работает с использованием иерархии сигналов. Наименьшим инкрементом ка-
налов являются виртуальные притоки (virtual tributaries — VT), которые объединяются в
синхронные транспортные сигналы (synchronous transport signals — STS) для электрических
интерфейсов и оптические линии (optical carriers — ОС) для оптических интерфейсов.

Кадр SONET состоит из четырех разделов — три из них содержат служебную инфор-
мацию, необходимую для сетевого управления, а также идентификации ошибок на уров-
не секций, каналов и путей, а четвертый — фактические данные, называемые полез-
ными данными (payload) SONET.

В первых трех столбцах кадра SONET содержится служебная информация о секции
(первые три строки) и канале (последние шесть строк). Рассматриваемая как одно це-
лое, она называется транспортной служебной информацией. В последних 87 столбцах
содержится служебная информация о пути (первый столбец) и полезные данные, кото-
рые, взятые вместе, называются конвертом полезных данных SONET (SONET payload
envelope — SPE).

К числу основных недостатков традиционной среды SONET относятся следующие:
ограниченная гибкость, большой объем необходимого оборудования, большие сроки
подготовки линий, и нерациональный расход производительности полосы пропускания.
Глава 8

Технологии создания
региональных сетей

В этой главе ...

•	Протокол 10 Gigabit Ethernet

•	Нерешенные проблемы 10 Gigabit Ethernet

•	Резюме

оттхл сбыта "Берет на себя инжЕнЕрные фунюули

устяь сгг1<меиллгельс-ПА инженерного состава! иХрелА, стгеиимисты
ТТО (ИАРкегинТУ ЗАНОВО изоъреглкгггоросскую сеть

Нигде более изменения, обусловленные революционным характером развития оп-
тических средств, не оказались столь значительными, как в области создания региональ-
ных сетей. В то время как достижения технологии DWDM давным-давно (около двух-
трех лет тому назад) революционизировали сети дальней связи, предоставив требуемые
ими гигантские полосы пропускания, этого нельзя сказать о более чувствительных к
ценам и остро конкурирующих между собой региональных сетях.
Совокупность требований, предъявляемых региональными сетями, уникальна, посколь-
ку они, как мы позже увидим, одновременно затрагивают аспекты как сетей дальней свя-
зи, так и сетей доступа. В случае региональных сетей показатели пропускной способнос-
ти не столь внушительны, как в случае сетей дальней связи, но значительно превышают
аналогичные показатели, свойственные сетям доступа. В то время как провайдеры сетей
дальней связи мыслят категориями соединений с пропускной способностью 10 Гбит/с и
уже подумывают при этом о разворачивании сетей с пропускной способностью до
40 Гбит/с, способных обеспечивать передачу сообщений на расстояния свыше сотен и тысяч
километров, провайдеры региональных сетей обычно имеют дело лишь с соединениями,
обладающими полосой пропускания 2,5 Гбит/с, и уж самое большее — 10 Гбит/с, кото-
рые покрывают расстояния в десятки или сотни километров. Несмотря на то что вопросы
повышения эффективности использования волоконно-оптических кабелей являются пред-
метом пристального внимания специалистов, существуют и другие злободневные вопро-
сы, настоятельно требующие своего решения, такие как обработка различных типов тра-
фика, передаваемого по сети, контроль и ликвидация заторов и т.п.

Для разрешения имеющихся трудностей привлекаются многочисленные технологии.
Прокладывает свой путь в региональные сети технология WDM. Стандартом режима
SONET, разработанным Европейским институтом стандартов по телекоммуникациям
(European Telecommunications Standards Institute), является режим динамической передачи
(Dynamic Transfer Mode — DTM), который, в частности, хорошо приспособлен для пе-
редачи видеотрафика. С другой стороны, специалисты в области пакетной передачи
данных в качестве транспортного протокола общего назначения для любого типа услуг
пропагандируют два протокола: 10 Gigabit Ethernet (10-GE) и новый протокол, носящий
название устойчивой (динамической) кольцевой сети для обмена пакетами (resilient packet
ring — RPR). В долгосрочной перспективе реальный успех может быть связан с опти-
ческой транспортной сетью (optical transport network — OTN), которая определит новую
коммутируемую иерархию для магистральных каналов (pipes) с очень большой пропус-
кной способностью.

Новые региональные сети

Решение проблем региональной сети содержится в двух ее компонентах: устройствах,
которые размещены в центральном офисе, подключаемом к сети общего пользования,
и технологии передачи, лежащей в основе работы самой сети. Современные централь-
ные офисы являются в буквальном смысле рогом изобилия в отношении всего, что ка-
сается новых технологий. Наряду с оборудованием SONET каждая из служб, предлага-
емых провайдером, требует установки собственного оборудования. Для Internet-служб
требуются маршрутизаторы и коммутаторы, а также инсталляция программного обес-
печения. Если дополнительно предлагаются также высокоуровневые IP-службы, такие
как управляемые брандмауэры (firewall) или службы VPN, количество оборудования,
которое должно устанавливаться, возрастает. Аналогичным образом, современные ком-
мерческие службы передачи данных (private data services) могут использовать техноло-
гии ретрансляции кадров (Frame relay) и ATM, для каждой из которых могут требовать-
ся собственные коммутаторы и интерфейсы (см. рис. 8.1).
уровень VPN

Уровень IP

Уровень ATM

Уровень
голосовых данных

Уровень SONET

РИСУНОК 8.1

Современные центральные офисы представляют собой архитектуру различных уровней, каждый из
которых требует установки собственного оборудования.

Порождаемые многочисленностью этого оборудованием проблемы имеют многосто-
ронний характер. Каждое устройство выдвигает ряд физических требований, связанных
с необходимостью его обслуживания. К устройствам должно быть подведено питание.
Для размещения шкафов с оборудованием должно быть изыскано место. Более того, с
приходом новых технологий добавляются присущие им дополнительные сложности, что
означает необходимость привлечения еще большего количества обслуживающего пер-
сонала, не говоря о возрастании сложности управления системой. Сегодня обеспечение
IP-соединения между микрорайонами сети (locations) может означать необходимость
конфигурирования трех наборов оборудования, относящихся соответственно к IP, Frame
Relay (ретрансляция кадров) или ATM, и SONET, что увеличивает стоимость и время
подготовки к работе такой службы.

Провайдерам хотелось бы, чтобы необходимое число развертываемых технологий и
устанавливаемых шкафов оборудования было сведено к минимуму, снижая тем самым
уровень денежных расходов. Откликом на эти требования было предложение поставщи-
ками целого ряда устройств с совмещенными функциями. Некоторые из них объединя-
ют в себе основные функциональные возможности SONET, используемые в централь-
ной части региональных сетей, такие как DCS и ADM (см. рис. 8.2).
Уровень VPN

Уровень IP

Уровень ATM

Уровень
голосовых данных

Уровень SONET

РИСУНОК 8.2

В современных региональных сетях функции оптических ADM и DCS объединяются в одном шкафу
оборудования.

Другие поставщики идут еще дальше, создавая многофункциональные устройства по
принципу швейцарского армейского складного ножа, иногда называемые «God Box»
(«Волшебная шкатулка»), которые, например, объединяют возможности оптических
коммутаторов, устройств коммутации ATM и/или Frame Relay, IP-маршрутизаторов,
мультиплексоров ввода — вывода и DWDM в одном блоке (см. рис. 8.3).

Несомненно, эти подходы позволяют уменьшить число шкафов оборудования, но и
они не лишены потенциальных недостатков. Требования владельцев линий весьма раз-
нородны, и единственный шкаф не всегда может им всем удовлетворять. Более того,
стремясь втиснуть все функции оборудования в один шкаф вместо разработки специа-
лизированных устройств, провайдеры рискуют оказаться не в состоянии предоставить
ту или иную услугу на уровне наивысшего качества.

Технологии

Еще один путь исключения расходов состоит в том, чтобы снизить количество се-
тей, необходимых для доставки услуги. Например, вместо выполнения протокола IP
поверх протоколов Frame Relay, SONET и оптической сети достаточно было бы выпол-
нять его только поверх протокола оптической сети. Распространение IP-протокола при-
вело к разделению провайдеров региональных сетей на два основных лагеря. Одни из
них склоняются к созданию отдельных сетей для различных служб, а другие являются
сторонниками предоставления всех услуг, основываясь на протоколе IP.

Уровень VPN

Уровень
голосовых данных

Уровни

SONET + ATM + IP

ADM

DCS Коммутатор Маршрутизатор
ATM	IP

РИСУНОК 8.3

Так называемые «Волшебные шкатулки» («God Boxes») — это блоки, сочетающие в себе
функциональные возможности ADM и DCS, а также ATM-коммутации и 1Р-маршрутизации.

Начнем рассмотрение с предложений сторонников отдельных сетей. Здесь можно
выделить три основных подхода: WDM-решения на уровне региональной сети, DTM и
OTN. Решения технологии WDM, приспособленные к задачам региональной сети, ори-
ентированы на адаптацию технологий сетей большой протяженности к специфике бо-
лее коротких расстояний региональных сетей. Уменьшение числа каналов и расстояний,
а также, в частности, избавление от лазеров позволяет использовать менее дорогие ком-
поненты, что снижает расходы на систему.

В случае технологии DWDM центральная часть региональной сети состоит уже не
из одного волнового канала, сегментированного SONET, а из независимых волновых
каналов. Это предоставляет владельцам линий большие величины пропускной способ-
ности и гибкость при подготовке к работе разворачиваемых сетей. Поскольку полоса
пропускания в этом случае оказывается «чистой» в смысле отсутствия какого бы то ни
было базового протокола, формирующего характеристики сети, то канал может предо-
ставляться для передачи любого вида трафика без напрасного расходования полосы
пропускания и не за счет ухудшения качества услуг. Один канал, например, может быть
отдан для передачи голосового трафика, а другой — для передачи трафика цифровых
данных (см. рис. 8.4).

Наконец, за счет интеграции нескольких устройств в одном, региональные DWDM-
системы значительно упрощают разворачивание сети. Вместо обязательного предвари-
тельного конфигурирования физического уровня, а также уровней SONET и IP все
службы конфигурируются однократно путем использования общего протокола, такого,
например, как обобщенная многопротокольная коммутация меток (generalized
multiprotocol label switching — GMPLS, см. главу 10).

РИСУНОК 8.4

В региональных системах DWDM различные каналы используются для передачи различных типов
трафика в зависимости от требований владельца линии.

Несмотря на то что региональные DWDM-технологии предоставляют большие воз-
можности в отношении пропускной способности, они традиционно характеризуются
довольно высокими расходами. Возникли другие технологии, предназначенные для
функционирования либо в одноканальных сетях, либо в независимых каналах многока-
нальных систем. Этими технологиями являются DTM, 10 Гбит/с Ethernet и RPR, каж-
дая из которых оптимизирована для незначительно различающихся между собой при-
ложений (см. рис. 8.5).

Поборники одного из направлений придерживаются той точки зрения, что с разви-
тием видео как основного генератора трафика в будущем сеть должна оптимизировать-
ся для передачи именно видеоинформации. На это и ориентирована технология DTM
(dynamic synchronous transfer mode — режим динамической синхронной передачи). В этом
протоколе делается попытка преодолеть некоторые ограничения SONET, не жертвуя при
этом высоким уровнем качества обслуживания, которого позволяет достигнуть исполь-
зование потоков синхронных данных.

Защитники DTM утверждают, что для преодоления отмеченных трудностей требует-
ся разработка нового протокола синхронной передачи. Целью DTM является предос-
тавление гарантированного качества обслуживания, присущего SONET, за счет более
гибких по сравнению с SONET конфигураций каналов.
Сеть DTM состоит из коммутаторов, сконфигурированных с использованием того же
ассортимента сетевых топологий, что и SONET — двухточечная топология, звезда и коль-
цо. Передача в сети осуществляется со скоростью 1 Гбит/с с использованием 8000 кад-
ров в секунду, что эквивалентно 0,125 микросекунды (рс) на один кадр. Каждый кадр
состоит из 64-битовых элементарных временных интервалов при 1950 элементарных
интервалов на один кадр, что приводит к суммарной пропускной способности одного
элементарного интервала равной 512 Кбит/с.

Видео

Голосовые данные

Цифровые данные

Степень оптимизации

РИСУНОК 8.5

Области оптимизации технологий региональных сетей.

В технологии DTM используется пять протоколов, которые сводят к минимуму руч-
ное конфигурирование сети и упрощают управление сетью. Этими протоколами явля-
ются: канальный протокол DTM (DTM channel protocol — DCP), предназначенный для
создания каналов, протокол управления ресурсами DTM (DTM resource management
protocol — DRMP) — для изменения размера каналов, протокол маршрутизации DTM
(DTM routing protocol — DRP) — для развертывания топологии сети, протокол состо-
яния связи DTM (DTM link state protocol — DLSP) — для указания оптимального пути
через сеть и протокол синхронизации DTM (DTM synchronization protocol — DSYP) —
для поддержания синхронизации оборудования между собой. Шестой — физический
протокол DTM (DTM physical protocol — DPP) определяет физический способ пересылки
информации в сеть DTM.

При получении коммутаторами DTM информации, которую они должны поместить
в сеть, они инициируют начальную настройку канала с использованием DCP. DCP ис-
пользуется также для разрыва канала или изменения его характеристик. К числу этих
характеристик может относиться количество элементарных временных интервалов, рас-
пределенных для данного канала, а также тип трафика, который должен быть поддер-
жан данным каналом.
После того как канал настроен, коммутатор готов к тому, чтобы начать передачу
данных. Структурой битов управляет DPP. В настоящее время протоколом определены
два формата — DPP-8B10B, предназначенный для работы непосредственно через опти-
ческие линии связи, и DPP-VC4, предназначенный для работы поверх SONET. После-
днее может звучать несколько странно, поскольку в этом случае получается так, что одна
синхронная сеть функционирует внутри другой синхронной сети.

В действительности подобная ситуация станет довольно обычной, поскольку у про-
вайдеров, заинтересованных в DTM, сеть SONET, скорее всего, уже установлена. Пре-
доставление средств, обеспечивающих выполнение DTM поверх SONET, позволит им
разбить имеющуюся полосу пропускания на отдельные каналы с гибкостью DTM, но
без дополнительных расходов на обновления и изменения, охватывающие полностью
всю сеть. В настоящее время интерфейсы DPP-VC4 разрабатываются для STM-1
(51,9 Мбит/с), STM-16 (2,5 Гбит/с) и STM-64 (10 Гбит/с).

Итак, канал создан и сеть заработала, но что произойдет в том случае, когда условия
в сети изменятся: например, произойдет обрыв линии или образуется затор? DCP мо-
жет изменить характеристики канала, но он не в состоянии изменить ресурсы сети как
таковые. Чтобы это осуществить, необходим DRMP. Ресурсами в сети управляют ком-
мутаторы, а решения относительно маршрутизации принимает DRMP, который опре-
деляет, куда переслать кадры, предназначенные для другой сети, управляет ресурсами и
позволяет коммутаторам многократно использовать временные интервалы путем осуще-
ствления процесса, называемого «выгребанием» (scooping).

Последний момент чрезвычайно важен. Возможность многократного использования
элементарных временных интервалов позволяет коммутаторам сети перемещать интер-
валы между интерфейсами с целью предотвращения образования узких мест. DCP так-
же гарантирует, что каналы между узлами будут использоваться в рамках технологии
многократного использования волновых каналов путем их пространственного разнесе-
ния, (spatial reuse). В отличие от SONET, где два узла, соединенные каналом, полнос-
тью задействуют его, так что никакие другие узлы, кроме этих двух, не могут его ис-
пользовать, технология многократного использования каналов позволяет различным
парам узлов связываться между собой с использованием того же временного интервала
в предположении, что сообщаются между собой только эти два устройства (см. рис. 8.6).

А каким же образом станциям удается точно соблюдать порядок использования ука-
занных временных интервалов? Обеспечивает это протокол синхронизации DTM
(DSYP — DTM Synchronization protocol). Подобно SONET, в случае DTM используются
единые тактовые импульсы, управляющие работой всех узлов сети. В случае отказа сети
DSYP устанавливает и поддерживает эту синхронизацию.

DLSP упрощает установку и настройку устройств благодаря механизму автоматичес-
кой регистрации устройств. Достаточно установить новое устройство в корпоративной
сети, и оно само объявит о своем присутствии другим узлам сети. Отпадает необходи-
мость в обходе всех станции для настройки параметров оборудования различных постав-
щиков на адрес новой станции — все происходит автоматически! То же самое справед-
ливо и по отношению к DTM. Коммутаторы DTM автоматически находят новые
устройства, используя алгоритмы DLSP. Те же алгоритмы позволят им определить сете-
вую топологию и обнаружить в ней любые изменения и ошибки.
#1

В случае SONET элементарный временной интервал,
используемый для связи между двумя узлами, может использоваться в любой части сети
только для связи между этими и никакими другими узлами сети.

В случае технологии многократного использования волновых каналов
для передачи информации между устройствами могут быть задействованы любые
неиспользованные временные интервалы, количество которых в данном
случае равно числу четыре умноженному на количество актов передачи,
осуществляемых в одно и то же время.

РИСУНОК 8.6

Объяснение технологии многократного использования волновых каналов.

DSLP также придает DTM необходимую избыточность. Подобно кольцам SONET
кольца DTM обеспечивают два типа избыточности сети. Стоит только отказать комму-
татору в сети DTM, и соседние узлы изолируют сбойный участок, организовав вокруг
него защитное обходное (wrap around) кольцо. Аналогичным образом, при отказе какой-
либо связи соседние устройства изолируют эту связь.
Протокол 10 Gigabit Ethernet

Эксперты в области сетей для передачи цифровых данных считают возможным со-
здание сетей, в равной степени пригодных как для работы с нечувствительными к вре-
менным характеристикам передачи протоколами, такими как протоколы просмотра Web-
страниц или электронной почты, так и для обработки потоковой видеоинформации в
режиме реального времени. Суть предлагаемого ими решения заключается в объедине-
нии возможностей Ethernet, IP и MPLS.

Присутствие IP в этом списке не должно удивлять. На этом протоколе сегодня ос-
новывается работа всей сети Internet. Другое дело — Ethernet. Будучи преобладающим
методом доступа в корпоративных сетях, этот протокол, на первый взгляд, лишен тех
ключевых характеристик, которые делали бы его пригодным для использования в WAN.
В протоколе отсутствуют встроенные средства управления, позволяющие обнаруживать
сбои. Его способность гарантировать качество услуг вызывает сомнения, а максималь-
но возможной скорости в 1 Гбит/с хватит разве что лишь для сети общего пользования.

Все это послужило достаточно хорошим поводом для группы разработки стандартов,
которая изобрела Ethertnet, разработать и протокол 10 Гбит/с Ethernet, названный
802.3ае. Этому протоколу предстоит устранить многие из вышеперечисленных недостат-
ков и вдобавок обеспечить то, чем всегда славился Ethernet — низкую стоимость. Хотя
об этом еще рано говорить, всеобщим мнением является то, что, учитывая мощное при-
сутствие Ethernet на рынке корпоративных сетей, продукты Ethernet окажутся намного
дешевле любого другого возможного решения. Есть все основания не сомневаться в
справедливости подобной точки зрения. Помимо стоимостных преимуществ, присущих
массовым продуктам, продукты Ethernet не принесут с собой никаких дополнительных
расходов, связанных с переходом к другим протоколам или решениям сетевой инфра-
структуры. Для того чтобы маршрутизатор Ethernet, подключенный к сети общего пользо-
вания, имел с обеих сторон Ethernet, никакой дополнительной оплаты интерфейсов
SONET, DTM или RPR не потребуется.

Как и остальные стандарты Ethernet, стандарт 10GE использует то же базовое фор-
матирование кадров, что и исходная спецификация 10 Мбит/с. А если это так, то под-
ключить сети 10GE к сетям 10 и 100 Мбит/с и 1 Гбит/с Ethernet будет довольно легко
(см. рис. 2.10). Кроме того, 10 GE будет использовать только дуплексный режим работы
протокола 1 Гбит/с. Работая в дуплексном режиме, станции посылают и принимают
данные по двум каналам. В этом случае конфликты не возникают, так что отпадает
необходимость в использовании алгоритма CSMA/CD.

В чем отличия 10 Gigabit Ethernet проявляются более всего, так это в физическом уров-
не, который Ethernet разделяет на физический уровень, зависимый от среды передачи данных
(physical media dependent — PMD), и физический подуровень кодирования (physical coding
sublayer — PCS). Группа стандартов определила два вида физического уровня (PHY) —
LAN PHY (10Gbase-R) и WAN PHY (lOGbase-W или 10Gbase-X). WAN PHY обладает
полной функциональностью LAN PHY и дополнительно содержит служебную информа-
цию, специфическую для WAN. Различия между ними заключаются в PCS (см. рис. 8.7).

Здесь важно не упустить из виду те перспективы, которые ожидают сообщество
пользователей 10GE Ethernet. Создание стандарта WAN PHY во многих отношениях
является далеко не лучшим выходом, скорее — это дань сложившейся на рынке ситуа-
ции, в которой на сегодняшний день доминирует SONET. Благодаря WAN PHY трафик
Ethernet упаковывается для транспортировки в кадры SONET. Однако поставщики
Ethernet надеются, что по мере развития этого протокола он распространится и на WAN.
В конечном счете, сеть общего пользования превратится, если хотите, в большую LAN,
в которой будет выполняться протокол Ethernet LAN PHY.

10GBase-R

10GBase-W

10GBase-X

MDI = Medium Dependent Interface
(Зависимый от среды передачи
данных интерфейс)

XGMII = 10-Gigabit Media Independent
Interface (Независимый от среды передачи
данных интерфейс 10-Gigabit)

PCS = Physical Coding Sublayer
(Физический подуровень кодирования)

РМА = Physical Medium Attachment
(Подключение физической среды)
PMD = Physical Medium Dependent
(Зависимость от физической среды)
WIS = WAN Interface Sublayer
(Подуровень интерфейса WAN)

СПД - среда передачи данных

РИСУНОК 8.7

Группа стандартов 10 Гбит/с Ethernet определила три типа физических интерфейсов: 10Gbase-R для
одноканальных (single-wavelength) соединений LAN, lOGbase- W для соединений WAN и 10Gbase-X для
многоканальных (multiwavelength) систем. Различие между Base-R и Base-W заключено в подуровне
WIS, который отвечает за формирование кадров SONET. (Источник: 10 Gigabit Ethernet Alliance).

Чтобы это стало возможным, группа 802.3ае выделила все различия между двумя
разновидностями PHY в отдельные компоненты, которые при необходимости можно
будет заменить. Как WAN PHY, так и LAN PHY функционируют на одних и тех же
волоконно-оптических кабелях. Указанная группа стандартов специфицировала пять
типов волоконно-оптических кабелей — два для многомодовой передачи и три для од-
номодовой (см. табл. 8.1).
Указанные различия заключены в подуровне PCS. В случае последовательного ин-
терфейса как LAN, так и WAN PHY используют одну и ту же схему кодирования —
64В66В. В варианте реализации с WWDM может использоваться схема кодирования
8В10В, специфицированная для стандарта 1 Гбит/с Ethernet. Различия между указанны-
ми двумя последовательными интерфейсами заключены в дополнительном подуровне
WAN называемом подуровнем интерфейса WAN (WAN interface sublayer — WIS) (см. рис.
8.8). WIS предоставляет упрощенную процедуру формирования кадров SONET и настра-
ивает выход PHY для работы со скоростью 9,953 Гбит/с, являющейся скоростью работы
сети SONET OC-192/STM-64, а не на скорости 10,3 Гбит/с, используемой сетями 10GE.

Таблица 8.1 Варианты волоконно-оптических кабелей для

сети 10 Гбит/с Ethernet

PMD  ( Оптический приемопередатчик)	Поддерживаемый тип кабеля	Целевое расстояние (м)
850 нм, последовательный интерфейс	Многомодовый	65
1310 нм, WWDM*	Многомодовый	300
1310 нм, WWDM	Одномодовый	10000
1310 нм, последовательный интерфейс	Одномодовый	10000
1550 нм, последовательный интерфейс	Одномодовый	40000

* WWDM — Wide Wave-Division Multiplexing (мультиплексирование с использованием рас-
ширенного оптического спектра ).

Это не превращает Ethernet в технологию WAN, а всего лишь обеспечивает легкий
способ транспортировки Ethernet по сети SONET. Теперь два маршрутизатора могут быть
подключены к сети SONET непосредственно, а не через мультиплексоры (см. рис. 8.8).

При отсутствии подуровня WIS

Маршрутизатор Мультиплексор ADM

ADM Мультиплексор

Маршрутизатор

При наличии подуровня WIS

Маршрутизатор	ДОМ

РИСУНОК 8.8

Благодаря добавлению подуровня WIS стандарт 10 Гбит/с Ethernet позволяет маршрутизаторам
подключаться непосредственно к сети SONET, избавляя от необходимости дополнительного
использования дорогостоящих и сложных мультиплексоров и прокладывая путь для перехода к сети,
полностью основанной на протоколах Ethernet.

Маршрутизатор
Для облегчения этого перехода в рамках 10 GB был разработан интерфейс XAUI
(произносится «зо-уи»). Интерфейс XAUI, обозначение которого составлено из двух
частей — X (римское «10») и AUI (attachment unit interface — интерфейс устройств до-
ступа), является высокоскоростной шиной, работающей с использованием четырех трак-
тов (lanes) с тактовой частотой, в 2,5 раза превышающей скорость 1Гбит/с Ethernet. Ис-
пользование только четырех высокоскоростных, а не десятков низкоскоростных трактов
упрощает компоновку платы, но не позволяет подключаться к недорогим низкоскорос-
тным микросхемам Ethernet МАС. Чтобы все же сделать возможным такое подключе-
ние, рабочая группа 10GB разработала интерфейс XGMII, представляющий собой не-
дорогой 32-разрядный тракт данных (data path), который затем переходит в
высокоскоростную шину XAUI (см. рис. 8.9).

Верхние уровни_____

________________ Уровень управления МАС	_________
(Уровень управления доступом к среде (Media Access Control - MAC) |
{согласование

XGMII
| XGXS* |

XAUI ||

| XGXS* |

________________________________XGMII | |

Физический подуровень кодирования (Physical Coding Sublayer - PCS)

Подуровень интерфейса WAN (WAN Interface Sublayer - WIS)_

Retime. SerDes, CDR

64b/66b Coding

XSBI

Подключение физической среды (Physical Medium Attachment - PMA)
Зависимость от физической среды (Physical Medium Dependent * PMD)
----------------------------- "	i ,

I Среда передачи данных |
MDI

XGMII = Независимый от среды передачи данных
интерфейс 10G (10G Medium Independent Interface)
XGXS = Подуровень расширения XAUI (XAUI Extender Sublayer)
XAUI = Интерфейс устройств подключения 10G (10G Attachment Unit Interface)
XSBI = 16-разрядный интерфейс 10G (10G 16-Bit Interface)
MOI = Зависимый от среды передачи данных интерфейс

(Medium Dependent Interface)

’ Необязательный подуровень
Стандарт WAN PHY получается добавлением WIS

РИСУНОК 8.9

Существование интерфейсов XGMII и XAUI позволяет использовать микросхемы Ethernet МАС при
создании интерфейса 10 Гбит/с Ethernet (Источник: 10 Gigabit Ethernet Alliance).

Стандарт WAN PHY получается добавлением WIS.

Нерешенные проблемы 10 Gigabit Ethernet

Несмотря на то что стандарт 10 Gigabit Ethernet предлагает большую пропускную
способность и хорошо приспособлен для передачи цифровых данных, остаются нере-
шенными две основные проблемы.

Одна из серьезных проблем, препятствующих принятию стандарта 10 Gigabit, связа-
на с физической архитектурой сети. Современные региональные волоконно-оптические
сети имеют кольцевую прокладку. С практической точки зрения употребительность
кольцевой архитектуры объясняется тем, что количество траншей, которые в этом слу-
чае необходимо прорыть для укладки волоконно-оптических кабелей, оказывается на-
много меньшим, чем при организации ячеистых (mesh) или двухточечных (point-to-point)
соединений. Однако поддержка кольцевой архитектуры внутренне не свойственна
Ethernet. И если затем развернуть сеть 10GE, то некоторые станции, установленные либо
первыми, либо последними по отношению к направлению трафика, в зависимости от
конфигурации сети, будут иметь преимущества в доступе к сети (см. рис. 8.10).

Вторая проблема связана с поддержкой QoS. Используемый в стандарте 802 метод
QoS лишь снабжает трафик метками (label), но не предусматривает никакой стратегии
обработки трафика в кольце. Реализации, включающие использование QoS протокола
IP и многопротокольную коммутацию меток (multiprotocol label switching — MPLS),
оказываются более устойчивыми (robust), однако есть опасения, что с увеличением на-
грузки линий даже эти схемы не позволят устранить все проблемы. Мы познакомимся
подробнее с MPLS в главе 10.

Имеющийся кадр	Новый кадр

При конфигурировании Ethernet в виде сети, образованной соединениями "точка-точка", последняя станция,
благодаря возможности буферизации имеющегося в сети кадра и открытия свободного доступа к сети,
оказывается в преимущественном положении по сравнению с остальными.

При конфигурировании Ethernet в виде среды с разделяемым доступом станция 1 получает
преимущества, поскольку она первая слушает чистую линию.

РИСУНОК 8.10

Проблемы колец Ethernet, связанные с предоставлением равного доступа к сети станциям,
занимающим различное положение относительно направления движения трафика.

Наряду с этим существуют также проблемы защиты от сбоев. В современном Ethernet
отсутствуют схемы, обеспечивающие безотказную работу сети. Обычно это не вызывает
каких-либо трудностей, поскольку сети Ethernet прокладываются в виде полной сетки
(full mesh), в которой данные могут быть направлены в обход сбойных участков. Одна-
ко для подобного изменения маршрута маршрутизатору может понадобиться несколько
секунд, а для современных сетей общего пользования это время оказывается слишком
большим. В определенной степени можно надеяться, что с этими трудностями можно
будет справиться с помощью MPLS, однако на сегодняшний день средства MPLS еще
не приобрели статуса стандарта.
RPR

В значительной мере исходя из описанных опасений, провайдеры приступили к раз-
работке нового протокола, который был бы лучше приспособлен к кольцевой архитек-
туре. Этот протокол, получивший название устойчивой (динамической) кольцевой сети
для обмена пакетами (resilient packet ring — RPR), исходит от рабочей группы IEEE 802.17.
Указанный стандарт уходит корнями в одну из технологий компании Cisco Systems, Inc.,
которая называется протоколом многократного использования волновых каналов путем
их пространственного разнесения (spatial reuse protocol — SRP), или просто — протоко-
лом многократного использования каналов, и фигурирует под торговой маркой прото-
кола динамической передачи пакетов (dynamic packet transport — DPT). Иногда его так-
же называют «оптическим Ethernet», хотя, если не считать того, что в блоках RPR
устанавливаются порты Ethernet, этот протокол имеет мало общего с настоящим Ethernet.

RPR совершает три вещи, каждая из которых нашла свое отражение в названии этого
протокола. Термин «resilient» (эластичный, т.е. динамичный) означает способность прото-
кола организовывать обходы сбойных участков за счет одновременного использования по
крайней мере двух колец, работающих в противоположных направлениях (counterrotating),
аналогично DTM. При отказе одного кольца узлы RPR переключаются на резервное кольцо
и продолжают работу. Как и в DTM, в RPR используется технология многократного ис-
пользования каналов, так что полоса пропускания не «закрепляется» жестко за этим коль-
цом. Вместо этого пропускная способность, используемая для передачи данных в одной
части сети, может повторно использоваться для передачи других данных в другой части
сети при условии, что они не взаимодействуют друг с другом (см. рис. 8.6).

Технология основана на использовании кадров, или пакетов (packet), что и дало начало
второй части названия RPR. Однако, в отличие от Ethernet, протоколом RPR предусмотре-
но три уровня встроенного качества службы. Так, класс синхронного трафика (synchronous
traffic class — STC) позволяет провайдерам передавать по RPR высококачественный голо-
совой трафик. Класс гарантированного трафика (guaranteed traffic class — GTC) дает про-
вайдерам возможность предоставлять услуги в области высококачественной передачи циф-
ровых данных, беря на себя обязательства по обеспечению оговоренного уровня качества
службы. Третий класс — класс предоставления трафика с наименьшими доступными затра-
тами (best effort traffic class — BETC) — будет использоваться для обслуживания передачи
цифровых данных без каких-либо конкретных гарантий качества службы.

Точное функционирование протокола является предметом некоторых споров. Одни
его сторонники доказывают, что узлам RPR не должна предоставляться информация от-
носительно доступной пропускной способности в сети. Вместо этого они должны про-
сто получать входящие пакеты Ethernet и упаковывать их в кадры RPR. Кадр снабжает-
ся меткой, обозначающей определенный приоритет трафика, и пересылается в сеть. Кадр
проходит транзитом кольцо, где его адрес назначения и приоритет проверяются каж-
дым узлом сети. После достижения кадром своего конечного пункта назначения в кольце
станция удаляет транзитный кадр (transit frame) из кольца для доставки к следующему
пункту назначения.

Единственным исключением из приведенного выше описания является случай мно-
гоадресного трафика (multicast trtaffic). Многоадресная передача означает передачу од-
ного кадра многочисленным получателям. В случае многоадресной передачи оба под-
хода требуют, чтобы удаление кадра из сети осуществлялось передающей станцией.
Просто, не так ли? Но что произойдет в том случае, когда станция должна передать
два кадра: один — транзитный (transit frame) и еще один — собственный кадр станции
RPR, или передаваемый кадр (transmit frame)? Для подобных случаев в каждом узле RPR
предусмотрены высоко- и низкоприоритетный транзитные буферы. После того как стан-
ции проверят адрес транзитного кадра и решат, что он не должен удаляться из сети, кадр
помещается в соответствующую транзитную очередь. Первыми обслуживаются высоко-
приоритетные транзитные кадры, а затем— высокоприоритетные кадры, передаваемые
самим узлом. Для низкоприоритетных транзитных и передаваемых кадров используется
алгоритм равноправного обслуживания очередей (fair-queuing algorithm), предоставля-
ющий всем кадрам равные возможности доступа к сети. Если очередь низкоприоритет-
ных транзитных кадров начинает переполняться, коммутатор передает другим станци-
ям сигнал, извещающий о том, что они должны замедлить передачу. После очистки
очереди и истечения определенного промежутка времени станции вновь начинают уве-
личивать скорость передачи (см. рис. 8.11).

В альтернативном подходе делается попытка избежать подобного риска, связанного
с использованием буферов большой емкости. В рамках этой модели узлам известно зна-
чение доступной пропускной способности в сети. После получения кадра и проверки
его адреса он помещается в транзитный буфер для передачи в кольцо. На этот раз раз-
мер транзитного буфера значительно меньше и соответствует лишь максимально воз-
можному размеру кадра RPR. Если имеется другой кадр, который необходимо передать,
приоритет предоставляется транзитному кадру. Если такая ситуация происходит слиш-
ком часто и подлежащие передаче данным узлом RPR кадры не могут быть переданы,
коммутаторы извещают другие узлы, расположенные вдоль (или против) направления
движения трафика в кольце, о необходимости изменения параметров доступа к сети,
чтобы сделать возможной передачу высокоприоритетного кадра (см. рис. 8.12).

Раскол в рядах сторонников RPR может создать серьезные проблемы для техноло-
гии. Этот тезис приобретает особую актуальность из-за наличия серьезного конкурента
в лице Ethernet. Несмотря на то что Ethernet не предназначен, для кольцевых сетей, как
RPR, он борется за рынок региональных сетей. Легкости использования этого протоко-
ла в сочетании с его низкой стоимостью оказалось вполне достаточно для нанесения
поражения протоколам Token Ring и ATM в корпоративных сетях. И хотя такие факто-
ры, как отсутствие QoS, и замедлят разворачивание Ethernet в региональных сетях, он,
несомненно, будет для RPR опасным конкурентом.

OTN

Как и специалисты в области передачи цифровых данных, которые пытаются заменить
SONET новыми протоколами, ITU и ANSI, под чьим покровительством развивался
SONET, также работали над созданием протокола, который мог бы стать его наследни-
ком. Предполагается, что новый протокол — OTN (optical transport network — оптическая
транспортная сеть) — заменит SONET при обслуживании мощных транспортных потоков
сети общего пользования, требующих очень высоких значений пропускной способности.

В OTN необходимо рассмотреть два уровня: транспортный (transport layer), а также
сигнализации и управления (signaling and management layer). Оба уровня должны по-
мочь справиться с основными нерешенными проблемами SONET. Наибольшей из них
является проблема пропускной способности. В настоящее время уже стало ясно, что
РИСУНОК 8.11

При первом подходе по мере поступления пакетов на узел RPR одного кольца (Кольцо 1)
осуществляется просмотр их адресов (А). Если пакет не предназначен для данного узла, он
помещается в транзитный буфер (В) для того, чтобы вновь быть переданным в сеть. Если в это же
время в передаче нуждается другой кадр, производится сравнение приоритетов обоих кадров (С).
Первым передается кадр, приоритет которого выше (D). При наступлении отказа сеть
переключается на резервное кольцо, которое функционирует таким же образом.
РИСУНОК 8.12

При втором подходе используемый транзитный буфер имеет гораздо меньшую емкость, достаточную
лишь для размещения одного кадра. Кадр поступает на узел RPR одного кольца (Кольцо 1), где
просматривается его адрес (А). Если пакет не предназначен для данного узла, он помещается в
транзитный буфер (В) для того, чтобы вновь быть переданным в сеть. Если в это же время в
передаче нуждается другой кадр, преимущество отдается транзитному кадру (С). Если узел не
может передать собственный кадр, он извещает другие узлы сети о необходимости приостановки
ими передачи и изменения параметров доступа к сети, чтобы сделать возможной передачу
собственного кадра. При наступлении отказа сеть переключается на резервное кольцо,
функционирующее точно таким же образом.
SONET начинает задыхаться. Хотя технология WDM и подверглась усовершенствова-
ниям, SONET по-прежнему остается моноканальным (single-wavelength). Не существу-
ет простого способа, позволяющего объединять многочисленные каналы, а в рассмат-
риваемом нами случае — волоконно-оптические кабели, для увеличения пропускной
способности между двумя узлами. Единственное, что остается в данной ситуации про-
вайдерам для манипуляций, так это два уровня — сеть SONET и каналы (circuits) WDM
типа «точка-точка», а эта задача — не из легких. Провайдерам хотелось бы, чтобы вся
сложность соединений WDM была скрыта от высших уровней и они воспринимались
бы как одна «бесшовная» сеть. SONET с этой задачей справиться не может.

Еще одной серьезной проблемой является то, что при увеличении пропускной спо-
собности эффективность передачи данных снижается. Дело в том, что иерархия SONET
не оптимизирована для передачи больших объемов данных. Объединение иерархичес-
ких уровней для получения увеличенных порций пропускной способности приводит к
росту накладных расходов, связанных с необходимостью передачи большего объема слу-
жебной информации.

Как только была начата работа в указанных двух направлениях, стало ясно, что не
менее важными являются и другие вопросы, среди которых можно выделить потребность
в реализации в рамках SONET диспетчерского управления тандемными соединениями.
SONET сегодняшнего дня обеспечивает механизм мониторинга тандемных соединений,
однако эти возможности были дополнительно введены в SONET с довольно большим
запозданием. Специалисты же в области сетей с самого начала пытались найти способы
предоставления большего объема информации с помощью OTN.

Транспортный уровень OTN

У OTN имеется много общего с SONET. Соединения OTN разделяются на три со-
ставляющие, и в том, как объединяются данные, существует определенная иерархия.
Однако кроме подобного сходства весьма общего характера между этими двумя прото-
колами существуют и фундаментальные различия. В SONET предполагается синхрон-
ная архитектура, работающая на одиночном волоконно-оптическом кабеле. В то же
время, OTN — это существенно асинхронная среда, построенная на оптических соеди-
нениях типа «точка-точка».

Начнем с рассмотрения сходных сторон протоколов. OTN, подобно SONET, разде-
ляет соединение на три (четыре, если включать в рассмотрение волоконно-оптический
кабель) составляющих. В случае SONET этими составляющими являются: путь (path)
(логическое соединение между станциями), канал (line) (физическая связь) и секции
(sections) (отдельные участки медных или волоконно-оптических кабелей, заканчиваю-
щиеся на усилителях или повторителях, которые все вместе образуют связь).

Структура OTN аналогична только что рассмотренной, хотя и имеет другое деление,
поскольку в нем учитывается наличие элементов развернутой системы WDM. Элемента-
ми OTN являются оптические каналы (optical channels), секции оптического мультиплек-
сирования (optical multiplex sections) и секции оптической передачи (optical transmission
sections). На каждом уровне, соединения между двумя конечными точками, называемые
дорожками (trails), содержат информацию о вышележащем уровне, а также служебную
информацию, необходимую для завершения дорожки и локализации ошибок (trouble
shooting). Службы локализации ошибок позволяют проверять наличие соединения на дан-
ном уровне, а также качество передачи и обнаруживают возникающие проблемы.
Оптические каналы (optical channel connections), или дорожки (trails), как их еще
называют, концептуально аналогичны путям (paths) в SONET, поскольку задачей и тех,
и других является обеспечение сквозного соединения через сеть (end-to-end networking).
Оптический канальный уровень (Och) обеспечивает транспортировку клиентских сиг-
налов между двумя конечными точками в сети OTN.

Секции оптического мультиплексирования (optical multiplex sections — OMS) опи-
сывают части WDM, которые поддерживают указанные оптические каналы. Они анало-
гичны линиям (lines) SONET, но учитывают использование множества волновых кана-
лов (wavelength), информация о которых недоступна SONET. В силу этого потоки
информации разделов оптического мультиплексирования включают в себя некоторое
число объединенных между собой оптических каналов. В результате этого оптический
канал «видит» один емкий магистральный канал (pipe), а не ряд более мелких. Для каж-
дого канала предусмотрена определенная частота и оптическая полоса пропускания, а
также средства индикации занятости или освобождения канала.

Нижнему уровню соединения OTN соответствует секция оптической передачи
(optical transmission section — OTS). OTS, как и каналы (links) SONET, обеспечивает
передачу сигналов по отдельным пролетам (spans) волоконно-оптических кабелей. OTS
определяет физический интерфейс, подробно описывающий такие оптические парамет-
ры, как частота, уровень мощности и отношение сигнал/шум.

Иерархия OTN

В OTN, как и в SONET, определена иерархия сети, называемая иерархией оптичес-
кой передачи (optical transport hierarchy — ОТН). Точно так же как SONET строится на
инкрементах STS-1, которые могут объединяться для создания соединений с большой
пропускной способностью, ОТН также строится на базовых единицах — инкрементах в
виде модулей оптической передачи (optical transport module — ОТМ).

Но между ними есть и существенное отличие — OTN может охватывать множество
волновых каналов, каждый из которых может состоять из каналов связи (links), работа-
ющих с различной скоростью. Чтобы отметить этот факт, различные модули ОТМ снаб-
жаются двумя суффиксами — п и т и записываются в виде ОТМ- п,т, где п обозначает
максимальное количество волновых каналов, поддерживаемых при минимальной ско-
рости передачи битов по каждому каналу, а т — скорость передачи битов, поддержива-
емую интерфейсом. Всего поддерживается три скорости, которым соответствуют значе-
ния т равные 1 (2,5 Гбит/с), 2 (10 Гбит/с) и 3 (40 Гбит/с), но интерфейс может
поддерживать и некоторые комбинации, например: 1 и 2 (2,5 Гбит/с и 10 Гбит/с), 2 и 3
(10 Гбит/с и 40 Гбит/с) или же 1, 2 и 3. Тогда ОТМ-3,2 обозначает модуль ОТМ, кото-
рый охватывает три волновых канала, каждый из которых работает со скоростью, по
крайней мере, 10 Гбит/с. Аналогично, ОТМ-5,12 относится к каналу, который охваты-
вает пять волновых каналов и может работать со скоростью либо 2,5, либо 10 Гбит/с.

Когда сигналы ОТМ посылаются в сеть, они передаются в виде кадров размером 64
байта (512 бит). Кадр разбит на четыре области. Область выравнивания кадра (frame
alignment area) используется в интересах функционирования сети. Далее имеется три
области служебной информации: область модуля передачи оптического канала (optical
channel transport unit — OTU ), область модуля полезной информации оптического ка-
нала (optical channel payload unit — OPU) и область модуля данных оптического канала
(optical channel data unit — ODU), каждая из которых описывает отдельный аспект оп-
тического канала (см. рис. 8.13).

Столбцы
1	78	14 15	16

Строки 1 2 3 4	Область выравнивания кадра	Специфичная область служебной информации OTU	Специфичная область служебной информаций OPU
	Специфичная область служебной информации ODU		

РИСУНОК 8.13

Структура кадра ОТМ

Резюме

Для нашего времени характерно появление новых устройств, в которых один блок
способен совмещать в себе основные функциональные возможности SONET. Другие
устройства обладают еще большей функциональностью, объединяя в одном блоке воз-
можности ATM, Frame Relay и коммутационного оборудования IP.

Поборники DWDM-механизма пропагандируют выделение различных каналов раз-
личным службам. Хотя такой подход и может выступать в качестве одного из путей
повышения пропускной способности и гибкости региональных сетей, в плане стоимос-
ти он оставляет желать лучшего.

Протокол DTM подобен SONET, но в особенности приспособлен для доставки по-
токов видеоданных в режиме реального времени.

10 Гбит/с Ethernet расширяет протокол Ethernet на центральную часть региональной
сети. Существуют разновидности протокола 10GE — 10Gbase-R для моноканальных LAN-
соединений, 10Gbase-W для WAN-соединений и 10Gbase-X для многоканальных систем.

В протоколе RPR, который в настоящее время разрабатывается рабочей группой IEEE
802.17, делается попытка обеспечить качество служб, присущее SONET, но сохранить
низкую стоимость и высокую эффективность протокола, свойственные Ethernet.
Глава 9

Дистанция «последней мили»

В этой главе ...

•	Вызов брошен

•	«Последняя миля» сегодня

•	Завтрашний день «последней мили»

•	Варианты разработок PON

•	EPON и Ethernet на отрезке «первой мили»

•	Беспроводная оптика

•	Резюме

Сегодня мы достигли замечательных успехов при передаче данных в пределах це-
лой страны, а фактически — в пределах всего земного шара. Усовершенствования тех-
нологии изготовления волоконной оптики и техники усиления позволили сократить рас-
стояния. Одновременно с этим непрерывное развитие методик DWDM привело к тому,
что пропускная способность трансконтинентальных и трансокеанских волоконно-опти-
ческих линий стала практически неограниченной.

Действительный вызов сегодня брошен «последней милей» — дистанцией, которая от-
деляет ваш дом или офис от сети общего пользования. Здесь все еще идет поиск решений,
которые были бы выгодными с экономической точки зрения и вместе с тем достаточно
мощными и гибкими, чтобы доставить данные из другого конца города в вашу квартиру.

К сожалению, ни одна из существующих в настоящее время технологий не в состо-
янии обеспечить достижение этой цели. Каждой из них не хватает какого-то существен-
ного компонента. Высокоскоростные «медные» технологии якобы и могут использовать
уже установленную медную проводку для ускорения развертывания систем, но на деле
они лишь в редких случаях оказываются пригодными для высокоскоростной передачи
данных, а если и оказываются, то предел их возможностей — это 2 Мбит/с, или что-то
около того, на одного абонента, да и то лишь в удачный день. Там, где медная проводка
отсутствует, провайдеры часто используют беспроводные широкополосные линии свя-
зи, которым доступны чрезвычайно высокие скорости передачи данных, но нередко это
достигается лишь за счет сокращения дальности связи и в условиях риска воздействия
погодных условий на ее качество.

Рассмотрим теперь оптические технологии для абонентских каналов (local loops) —
пассивные оптические сети (passive optical networks — PON) и, в меньшей степени, бес-
проводные оптические линии связи (free-space optics). Они способны обеспечить гро-
У5(лйил фотоно!

(Л ХОТЯ /1000 Ш(ЛЛЬ ОСТАЛАСЬ TTO3ADU/ С16ТУ
TTPcDCTOUT 1ЬОер*сАТЬ ebUjE ODHO, САглоб
тяжелое ЦСТТЫТАН1ЛС - ттроатл ттослернюю милю!

мадную производительность, но не лишены скрытых недостатков. Само собой разуме-
ется, что для P0N должны быть проложены волоконно-оптические кабели. Но волокон-
ная оптика пока подведена к жилищам лишь немногих клиентов. Правда, в случае офи-
сов дела в этом отношении обстоят несколько лучше, однако и в этом случае, как
показывают некоторые оценки, 75 % офисов находятся в пределах одной мили от бли-
жайшего ответвления оптоволоконного кабеля. Беспроводные оптические линии могут
обеспечить пропускную способность вплоть до 10 Гбит/с для участка связи через сво-
бодное пространство, но они ограничены, главным образом, соединениями типа «точ-
ка-точка», а также не обеспечивают достаточную дальность связи и подвержены воздей-
ствию погодных условий.

Вызов брошен

Динамические процессы, с которыми приходится сталкиваться в локальных сетях,
весьма отличаются от тех, которые происходят в центральной части региональных се-
тей и в сетях дальней связи. Если в центре сети главным вопросом повестки дня может
быть пропускная способность, то на периферии основную роль играют другие факто-
ры, такие, например, как цена.

Поразмыслите над следующим. Основная масса пользователей, за счет которых те-
лефонные компании могут погашать расходы на поддержание линии связи между Ка-
лифорнией и Нью-Йорком, настолько многочисленна, что стоимость оборудования ста-
новится незначительным (ну, ладно — менее значительным!) фактором. Если за
аппаратуру DWDM требуется выложить 1 млн долларов, а число клиентов, которые будут
ежемесячно пользоваться этим оборудованием составляет несколько миллионов, то ...
Далее и без расчетов все ясно! А если развертывание такой аппаратуры позволит еще и
сэкономить на прокладке нового волоконно-оптического кабеля, что легко «потянет»
на все 100 млн долларов, то стоимостью оборудования действительно можно пренеб-
речь. Единственным действительно важным фактором остается пропускная способность,
которую можно «выжать» из каждого кабеля.

Однако в случае городских или региональных сетей картина меняется. По мере рас-
ширения телефонными компаниями своих сетей и приближения их к жилищам клиен-
тов, для обслуживания того же количества пользователей требуется все большее коли-
чество оборудования. В условиях, когда число пользователей, на которых могут быть
разбросаны расходы, резко сокращается, важнейшее значение начинает приобретать
стоимость единицы оборудования. В данном случае вместо миллионов обслуживаемых
пользователей можно говорить разве что о нескольких их десятках.

Полосы пропускания всех цветов

Но не только стоимость оборудования различна для сетей различного назначения.
При переходе от одного типа сетей к другому изменяются также структурируемость
(granularity) полосы пропускания, интерфейсы к предлагаемому сетью оборудованию, а
также расстояния, покрываемые сетью (см. таблицу 9.1).

Соединяя между собой миллионы пользователей в пределах целого региона, магист-
ральные сети оперируют очень большими порциями пропускной способности. При тех
видах трафика, которые обычно прогнозируются владельцами линий, им требуется про-
пускная способность, которой должно хватить для работы 160, а то и 320 волновых кана-
лов. В то же время, по мере приближения трафика к краю сети запросы на эти ресурсы
начинают резко снижаться. Обслуживая меньшее количество пользователей, центральные
части региональных сетей нуждаются в 32-64 волновых каналах, тогда как в региональ-
ных сетях доступа запросы телефонных компаний ограничиваются 16 каналами.
Таблица 9.1 Различия требований к оборудованию

	Региональные сети доступа	Центральная часть региональной сети	Сеть дальней связи
Делимость полосы пропускания	155-622 Мбит/с	2,5-10 Гбит/с	10-40 Гбит/с
Дальность	10-15 км	50-100 км	600-3000 км
Пропускная способность (выраженная в	16	32-64	160-320

количестве волновых
каналов)

Точно так же и интерфейсы к этим сетям весьма различаются между собой как в от-
ношении пропускной способности, так и в отношении набора доступных служб. Сети
дальней связи оперируют с очень мощными потоками трафика, достигающими 10-40
Гбит/с. Это очень хорошо согласуется с технологией DWDM, размеры каналов в кото-
рой начинаются от 2,5 Гбит/с. В то же время, по мере приближения трафика к краю
сети запросы на эти ресурсы начинают резко снижаться. С уменьшением числа пользо-
вателей пропускная способность, требуемая для поддержания трафика, спадает до 2,5-
10 Гбит/с для центральной части региональных сетей и ниже 2,5 Гбит/с для региональ-
ных сетей доступа.

Жильцы домов, рассчитанных на одну семью, не могут воспользоваться преимущества-
ми, предлагаемыми даже одиночным каналом. Представим, например, семью из четырех
человек в не столь отдаленном будущем. Давайте попробуем прикинуть, какой тип сете-
вого обслуживания может им понадобиться при самых больших запросах? Итак, предпо-
ложим, что рассматриваемая семья действительно нуждается в самых различных услугах
современной сети, а ее члены — мастера многозадачного режима и могут пользоваться
каждый одновременно несколькими службами. Тогда, например, два человека могут смот-
реть две различные высококачественные видеопрограммы, трое — разговаривать по те-
лефону, один — быть занятым онлайновой игрой, требующей, например, 20 Мбит/с для
обменов в фоновом режиме, а еще один — «бродить» по Web-сайтам в Internet. Даже в
случае предельной нагрузки, подобной рассмотренной, необходимая пользовательская
полоса пропускания вряд-ли превысит 60 Мбит/с, а скорее всего — будет ниже. А теперь
сравните эту цифру с номинальной пропускной способностью современного канала, рав-
ной 2,5 Гбит/с, что боле чем в 40 раз превышает запросы рассмотренной семьи (см. таб-
лицу 9.2)!

С корпорациями дело обстоит немного сложнее. С появлением новых приложений,
таких как хранение данных в сети, у компаний появилась возможность организовывать
информационное обслуживание, используя подрядные договора, и тем самым освобож-
дать часть полосы пропускания для нужд своих сетей. Запросы в данном случае выше, хотя,
вероятно, для их удовлетворения потребуется самое большее канал ОС-Зс. Итог здесь та-
ков, что владельцам линий нужны сети доступа с широким интервалом деления каналов.
В идеальном случае, им требуется оборудование, способное делить канал на части, соот-
ветствующие пропускной способности 64 Кбит/с, т.е. STS-1, выражаясь на языке SONET.
Таблица* 9.2 Требования к полосам пропускания в будущем

Тип сеанса	Требования к полосе пропускания, Мбит/с	Количество одновременных сеансов
"росмотр высококачественной видеоинформации	20	2
Просмотр Web-страниц	5	1
Онлайновые игры	2	1
’елефонные разговоры	0,64	3
Фоновая пересылка файлов	10	1
Итого	58,192	

Типы интерфейсов и служб, используемых для местного доступа, также заметно от-
личаются. Для работы в типичных ситуациях потребители обычно должны иметь воз-
можность подключения к сети через Ethernet, а для обмена голосовыми сообщениями —
через линии Т1 или ТЗ. В отдельных случаях для подключения к сети хранения данных
(storage area network — SAN) или для высокоскоростного подключения к мэйнфрейму
им может потребоваться обработка трафика, передаваемого по волоконно-оптическому
кабелю. Сложность здесь состоит в том, чтобы суметь предоставить подходящее обору-
дование, способное удовлетворить требованиям всех вышеперечисленных разнородных
видов трафика. К тому времени, когда трафик достигнет сети дальней связи или регио-
нальной сети, он будет представлять собой всего лишь битовые последовательности.

Из-за огромной величины расстояний, которые должны охватывать сети дальней
связи, критическое значение приобретает дальность действия этих систем. В типичных
случаях дальней связи сигналы могут передаваться без усиления на расстояния до 80 км.
В этом смысле для региональных систем наблюдаются заметные отличия. Площадь даже
такого большого города, как Нью-Йрк, составляет всего лишь 301 кв. милю. Усиление
необходимо и в этом случае, но вряд ли оно может здесь играть решающую роль. По-
скольку большинство пользователей живет в пределах не более одной мили от централь-
ного офиса, о применение усилителей в сетях доступа будет ничем не оправданной тра-
той денежных средств.

«Последняя миля» сегодня

Ключ к сетям завтрашнего дня таится в сегодняшних жилищных и корпоративных
сетях доступа. До тех пор пока не будут созданы все условия для высокоскоростного
локального доступа, потребительский спрос на трафик служб делового сектора и секто-
ра развлечений, которые еще долго будут стимулировать развитие сети общего пользо-
вания, сформироваться не сможет. Побудительные же мотивы для расширения возмож-
ностей локального доступа различны для корпоративного и жилищного сектора.

Начнем с корпораций. В отношении доступа к сетям коммерческим фирмам сегодня
приходится сталкиваться с двумя основными проблемами. К подавляющему большин-
ству зданий (около 75 %), в которых располагаются фирмы, оптоволоконные кабели
вообще не подведены. Но даже в тех случаях, когда оптоволоконное подключение име-
ется, доступ к службам осуществляется через магистраль SONET.
К этому моменту, после прочтения глав 6 и 7, вы уже должны иметь хорошее пред-
ставление о тех изъянах, которые присущи традиционному протоколу SONET. Он заме-
чательно работает при обмене голосовыми сообщениями, но жесткая иерархическая струк-
тура делает его плохо приспособленным для обработки трафика корпоративных данных с
его изменчивой природой. Для владельцев линий все заканчивается тем, что передавае-
мые по их магистралям кадры не достигают даже минимального размера кадров STS-L

Для подключения офисов к сети сегодня используются самые различные способы (см.
рис. 9.1). Для обслуживания очень крупных зданий или, например, университетских го-
родков в подвальных помещениях могут установливаться SONET ADM с собственными
маршрутизаторами офисных АТС для голосовой связи и коммутаторами ATM, подклю-
ченными к портам ADM. В уменьшенных вариантах установки ADM могут располагаться
в центральных офисах, где они должны быть подключены к цифровым кросс-соедините-
лям (digital crossconnects — DCS). В этом случае один набор портов DCS выходит на теле-
фонный коммутатор и через него к внешнему оборудованию, которое, в конечном счете,
подключается к цифровой линии, такой, например, как линия Т1 в CSU/DSU или муль-
типлексор. В то же время, другой набор портов DCS выходит через маршрутизатор и АТМ-
коммутатор на внешнее оборудование, подключенное к сетевой инфраструктуре здания.
В этом месте соединение будет заканчиваться другим мультиплексором или CSU/DSU.

В случае жилищных сетей наблюдается совершенно иная картина. Жилые дома под-
ключаются к телефонной сети с помощью медных линий, которые заканчиваются на
ADM. Доступ к сети кабельного телевидения осуществляется через подведенный к дому
коаксиальный кабель. Далее телевизионные сигналы проходят по кабелю к головному’
узлу, где они извлекаются и после этого используются по назначению.

Оба рынка находятся в состоянии развития. Телефонные компании RBOC и CLEC
предоставляют возможности высокоскоростного доступа преимущественно с помощью
цифровых абонентских линий (digital subscriber lines — DSL). Верхний предел скорости
передачи данных для DSL назвать трудно, поскольку существует много типов этих линий,
производительность которых к тому же существенно зависит от их состояния. С учетом
вышесказанного, заметим, что в случае асимметричных DSL (asymmetric DSL — ADSL),
являющихся наиболее распространенной технологией, теоретически достижимая произ-
водительность составляет для абонента 8,192 Мбит/с, а для «сети» — 768 Кбит/с. Реаль-
йая же производительность таких линий оказывается намного меньшей.

По сравнению с оптическими сетями эти цифры, может быть, и кажутся ничтожно
малыми, однако не следует забывать, что развертывание ADSL не требует прокладки но-
вой проводки, и в этом-то вся соль! Иное дело — новое оборудование. В помещениях
клиентов обычно происходит следующее: модем ADSL получает Ethemet-сигнал от ком-
пьютера, преобразует его в ячейки ATM или кадры HDLC и через передающий канал
клиента (upstream channel) помещает их в линию ADSL. На стороне провайдера карти-
на выглядит следующим образом: мультиплексор доступа к DSL (DSL access multiplexor —
DSLAM) получает сигналы из линии DSL и помещает их в сеть передачи цифровых или
голосовых данных. DSLAM также принимает предназначенные для клиента входные сиг-
налы и пересылает их по высокоскоростному приемному каналу клиента (downstream
channel) (см. рис. 9.2).
РИСУНОК 9.1

Коммерческая «последняя миля».

Более высокие скорости доступны в рамках развивающейся спецификации сверхвы-
сокоскоростной цифровой абонентской линии (very high data rate digital subscriber line —
VDSL). Во время написания этой книги максимальная скорость загрузки данных для
линий VDSL длиной до 1000 футов (300 м) составляла 52 Мбит/с, или 26 Мбит/с для
скорости передачи в одном направлении для симметричной линии.

И все же, в обоих вариантах реализации DSL достижение рекламируемых скоростей
продолжает оставаться очень сложной задачей. Реальные условия, существующие в ли-
ниях (наличие мостовых перемычек, удлинений), отрицательно влияют на скорость DSL.
Скорость передачи данных является адаптивной, поэтому производительность каналов
DSL с увеличением расстояния от DSLAM уменьшается (см. рис. 9.3).

К тому же, дополнительно проявляются проблемы, специфические для технологии
XDSL. К числу таких проблем относится, например, интерференция. Если линии VDSL
протянуты на высоте, они могут действовать как антенна, излучая и принимая энергию
з любительских радиодиапазонах. Попытки предотвращения подобного рода интерфе-
ренции могут дополнительно ограничивать длину кабеля.
Вторая проблема, о которой следует упомянуть, это выбор конструктивного вариан-
та исполнения оборудования, которое должно устанавливаться в помещениях клиентов.
Принимая во внимание степень сложности управления данными системами, степень их
надежности, наличие законодательных ограничений, а также исходя из соображений
переносимости, можно отдать предпочтение таким схемам, как ADSL или ISDN, в ко-
торых соответствующие устройства питаются от сети и могут работать в качестве кон-
центраторов. С помощью такого концентратора можно обеспечить доступ к каналу VDSL
сразу нескольких устройств, примерно так, как это делается в LAN.

С точки же зрения стоимости более выгодной оказывается организация пассивного
сетевого интерфейса, когда интерфейс VDSL устанавливается на оборудовании клиен-
та, а мультиплексирование выгружаемых (upstream) данных осуществляется во многом
так же, как в LAN. В данном случае вопросы стоимости приобретают особую важность,
поскольку аппаратура VDSL, установленная «на границе» обслуживает лишь несколь-
ких пользователей, оказание услуг которым предположительно должно окупить сто-
имость всего оборудования, включая волоконно-оптические кабели, интерфейсы и ап-
паратные шкафы. Поэтому стоимость VDSL изначально должна быть меньшей, чем
ADSL, оборудование DSLAM которой может устанавливаться на центральной АТС и
обслуживать намного большее количество потребителей.
Сравнительные характеристики теоретической и
фактической производительности технологии ADSL по отношению к загрузке данных

Расстояние (в футах)

РИСУНОК 9.3

Производительность систем ADSL в отношении выгрузки и загрузки данных (Источник: Orckit
Communicatiobs, Ltd., Tel Aviv, Israel).

Гибридные коаксиально-

волоконно-оптические системы

Примерно в то же время, когда телефонные компании начали пересматривать свою
инфраструктуру, аналогичные процессы затронули и компании, оказывающие услуги в
области кабельного телевидения. И хотя для системы кабельного телевидения требует-
ся лишь односторонняя передача аналоговых сигналов, инфраструктура коаксиальных
кабелей этой системы вполне пригодна для осуществления двухсторонней связи и быс-
трого доступа к Internet с использованием технологии 10 Мбит/с Ethernet.

Проблема, однако, состояла в том, чтобы разработать такую архитектуру, которая
обеспечила бы совместное использование пропускной способности Ethernet сравнительно
небольшим количеством клиентов. В силу самой природы передачи сигналов в стандар-
тном Ethernet при значительном количестве одновременно работающих в сети пользо-
вателей ее производительность, ощущаемая каждым из них по отдельности, резко пада-
ет. Существующие системы кабельного телевидения нередко объединяют от 50 до 60
тысяч жилищ, а это уже слишком много для организации высокоскоростного доступа к
Internet посредством обычной сети Ethernet. Более того, использование для доступа к
Internet медной кабельной проводки может приводить к эффекту суммирования шумов,
при котором каждое устройство, подключенное к обратным цепям кабельной сети, вно-
сит шум достаточный для того, чтобы заблокировать передачу сигналов.

Путем замены части коаксиальной кабельной проводки волоконно-оптическими
кабелями и использования отдельных кабельных отводов на каждом конце эти пробле-
мы удалось решить без прокладки волоконно-оптических кабелей к каждому жилищу.
В такой новой схеме разводки через каждые 500-2000 домов размещаются волоконно-
оптические кабельные узлы, от которых к домам расходятся коаксиальные кабели. Каж-
дый узел функционирует как коммутатор Ethernet, через который группа, или кластер,
домов подключавются к сети (см. рис. 9.4).

РИСУНОК 9.4

Модемная кабельная сеть

В такой схеме каждому волоконно-оптическому кабельному узлу в канале выгрузки
данных (upstream path) отводится полоса частот шириной 6 МГц. В жилищах устанав-
ливаются кабельные модемы, снабженные адресами Ethernet. Модемы принимают дан-
ные Ethernet на одном конце соединения, модулируют сигналом несущую частоту, а затем
пересылают данные в виде сигнала по указанному каналу шириной 6 Мгц в диапазоне
5-40 МГц по кабельной сети. Управление доступом к сети организуется как в любой
обычной сети Ethernet. Далее по каналу выгрузки данных (upstream path) данные посту-
пают на головной узел (headend), где сигнал демодулируется и помещается в Internet.

При передаче данных головным узлом процесс выглядит аналогичным образом. Се-
тевой трафик передается на станции (downstream) по разделяемому 150 КГц каналу
Ethernet в диапазоне от 54 до 350 МГц или от 54 до 750 МГц. Соответствующий трафик
«прослушивается» всеми устройствами, установленными в домах, но извлекают они толь-
ко те данные, которые соответствуют их индивидуальным Ethemet-адресам. В результа-
те этого производительность, обеспечиваемая типичными кабельными модемами, состав-
ляет примерно 300 Кбит/с при приеме данных от станций (upstream) и 1-1,5 Мбит/с при
передаче данных на станции (downstream).

Будучи эффективной на сегодняшний день, кабельная модемная технология, тем не
менее, сталкивается с двумя трудностями. Системы кабельного телевидения в значитель-
ной степени неспособны в полной мере удовлетворить запросы организаций, нуждаю-
щихся в действительно высокоскоростном доступе к сети. Более того, производитель-
ность кабельных модемных систем носит случайный характер, поскольку зависит от числа
пользователей, работающих в сети. При добавлении новых клиентов полоса пропуска-
ния, доступна каждому отдельному клиенту, уменьшается.

Широкополосная беспроводная связь

Что делать владельцам линий, если инфраструктура волоконно-оптических кабелей
отсутствует, а имеющаяся инфраструктура медной кабельной проводки не приспособ-
лена для DSL? Выходом может быть использование одной из технологий фиксирован-
ной беспроводной связи — распределенного спектра (spread spectrum), LMDS или
MMDS, каждая из которых обеспечивает более высокие по сравнению с модемами ско-
рости передачи. Подобно кабельной архитектуре беспроводные сетевые архитектуры
могут быть реализовваны с применением либо соединений «точка-точка» (point-to-point),
в которых полоса пропускания совместно используется двумя устройствами, либо со-
единений «один-множество» (point-to-multiple), в которых полоса пропускания совмес-
тно используется всеми абонентами сети. Отличаются эти архитектуры рабочими час-
тотами и, в связи с этим, производительностью и используемым частотным диапазоном.

Подобно оптическим сетям беспроводные сети работают в определенных интервалах
частот. Разумеется, там, где оптические сети используют пропускную способность воло-
конно-оптического кабеля, беспроводные сети используют пропускную способность ра-
диоспектра. Этот спектр разбивается и подразделяется на диапазоны, каждый из которых
определяется своим интервалом частот. Некоторые диапазоны не являются лицензируе-
мыми, в то время как для работы с другими требуется специальное разрешение.

Сети с распределенным спектром сигналов работают в нелицензируемом диапазоне
частот в области 2,5 ГГц. Многие из этих продуктов представляют собой адаптированные
беспроводные LAN, базирующиеся на стандарте IEEE 802.11, в котором определена та же
рабочая частота. Хотя теоретически устройства этого типа могут обеспечивать скорость
передачи данных 11 Мбит/с, их реальная производительность намного меньше и макси-
мально составляет примерно 6 Мбит/с при радиусе ячейки до 8 км. Далее эта пропускная
способность распределяется между потребителями, в результате чего производительность,
ощущаемая отдельным потребителем составляет примерно 256 Кбит/с.

Система многоузлового многоканального распределения (multipoint multichannel
distribution system — MMDS) обладает лучшей производительностью, поскольку в ней
используется лицензируемый частотный диапазон 2,1-2,7 Ггц. Владельцы лицензии об-
ладают исключительными правами использования полосы частот шириной 72 МГц, что
эквивалентно теоретической пропускной способности 36 Мбит/с из расчета на одну
ячейку в пределах 45-километрового радиуса ячейки. При этом, однако, пропускная
способность делится между всеми пользователями данной ячейки. Заявлялось, что ран-
ние варианты исполнения обладают максимальной производительностью 5 Мбит/с для
загрузки (downstream) и 256 Кбит/с для выгрузки (upstream) данных (хотя типичные
значения производительности по отношению к выгрузке данных заключены в интерва-
ле от 512 Кбит/с до 1 Мбит/с) при ежемесячной стоимости потребительского пакета услуг
равной 40-50 долларов США, а делового — 100-200 долларов США.

Текущие варианты реализации MMDS требут прямой видимости между связываемы-
ми узлами, т.е. антенна, установленная в помещении пользователя, должна «видеть»
станцию центрального узла, что ограничивает использование данной технологии в не-
которых условиях, например в условиях лесистой местности. Усовершенствованные
варианты MMDS позволяют использовать методику так называемой «почти прямой
видимости» (near-line-of-sight), которую отличает использование небольших антенн,
устанавливаемых по всей зоне приема, благодаря чему наличие препятствий не мешает
приему сигналов антеннами.

. Однако оптические скорости могут быть достигнуты лишь с помощью методик, рас-
считанных на использование более высоких рабочих частот. Система локального мно-
гоузлового распределения (local multipoint distribution system — LMDS) также является
лицензируемой технологией, работающей на частотах 27,5 и 31,5 ГГц. Эта область спектра
была довольно свободной, что позволило Федеральной комиссии связи (Federal
Communications Commission — FCC) выделять на регионы широкие каналы, в общей
сложности — полосу шириной 1300 МГц на один регион. Компании CLEC получили
для каждого из 493 регионов полосы шириной 1150 МГц, так что предоставленного спек-
тра было вполне достаточно, чтобы можно было предлагать потребителям высоскорос-
тные варианты доступа, альтернативные тем вариантам, которые предлагались компа-
ниями более крупными компаниями и операторами кабельной связи. Наибольшая
достижимая скорость составляет 155 Мбит/с, но в целом скорость составляет всего лишь
8 Мбит/с на один километр ячейки. Наличие прямой видимости между соответствую-
щими узлами остается в этой технологии обязательным требованием.

Завтрашний день «последней мили»

Во всем, что касается DSL, кабельные модемы и широкополосные беспроводные
средства связи предлагают жизнеспособные промежуточные способы организации пе-
редачи широкополосных данных. Но по мере того как требования к трафику растут,
возникает потребность и в новых технологиях. Даже в случае таких технологий, как
VDSL, которые предлагают более высокие скорости передачи по сравнению с «медны-
ми» технологиями, испытывается необходимость в таких решениях, которые, оставаясь
экономически целесообразными, позволили бы максимально приблизить оборудование
к пользователям с целью достижения высокой производительности.

Работы по разработке новых способов преодоления последней мили ведутся постав-
щиками оптического сетевого оборудования в трех направлениях. Некоторые постав-
щики выносят технологии WDM за пределы центральной части региональных сетей в
сети доступа (см. главу 7). Однако более многообещающими являются пассивные опти-
ческие сети (passive optical networks — PON), которые позволяют снизить стоимость
необходимого оборудования за счет исключения активных, т.е. требующих электричес-
кого питания, компонентов. Коммерческие (proprietary) WDM-технологии дают возмож-
ность продлить волоконно-оптические линии до помещений пользователей и исполь-
зовать для передачи различных видов трафика различные каналы. В беспроводных
оптических системах (free-space optics — FSO) делается попытка обеспечить в беспро-
водных сетях уровень производительности, свойственный оптическим системам.

PON

В 1995 году группа провайдеров в области телекоммуникаций объединила свои уси-
лия с целью разработки единой глобальной спецификации для предоставления высоко-
скоростного доступа на отрезке последней мили. Сегодня в эту группу, называемую
FSAN (Full Service Access Network — сеть доступа с полным набором услуг), входят 21
оператор связи и многочисленные поставщики оборудования, однако ее основная цель
осталась прежней — разработка недорогой технологии доступа, которая обеспечивала
бы получение любого типа телекоммуникационных услуг (отсюда и словосочетание «пол-
ный набор услуг» в названии группы).

Результатом работы группы явилась спецификация PON. За счет исключения уст-
ройств, предназначенных для восстановления сигнала, и активного оборудования, ис-
пользуемых при продлении волоконно-оптических кабелей от центрального офиса к
помещениям клиентов, PON позволяют уменьшить длину развертываемых волоконно-
оптических линий и, тем самым, затраты на их монтаж.

Группа FSAN была не первой из тех, кто активизировал создание PON. Идеи PON
обсуждались до образования FSAN уже на протяжении примерно десяти лет, однако лишь
разработка необходимых оптических компонентов позволила сделать высокоскоростные
PON реальностью. Позднее эта спецификация была предложена на рассмотрение ITU —
органу, осуществляющему руководство разработкой международных стандартов в обла-
сти передачи информации, и впоследствии превратилась в семейство стандартов ITU,
известное под названием g.983.

Говорят специалисты: Положение дел с PON

Тот факт, что архитектурой оптических сетей, требующей наименьших затрат для
подключения потребителей делового и жилищного секторов к центральной АТС, является
пассивная оптическая сеть (passive optical network — PON), было ясно уже давно. Однако,
что именно представляет собой PON в случае предприятия?

Недавно группа SBC провела сравнительное исследование стоимости волоконно-оптической
инфраструктуры PON и инфраструктур, базирующихся на выделенных одиночных волоконно-
оптических и медных линиях, В ходе исследования изучалась стоимость установки наружного
оборудования (включая стоимость материалов и трудовые затраты) для нового подключения в
жилищном секторе без учета стоимости сетевой электроники. Основные результаты иссле-
дования показали, что затраты на двухточечную (point-to-point) оптоволоконную сеть как
правило превышают затраты на сеть PON даже при небольшом удалении места подключения
от центрального офиса, причем трудовые затраты в данном случае вносят ощутимый вклад.
Так, например, для сети, работающей по одиночному выделенному волоконно-оптическому ка-
белю, может потребоваться в 32 раза больше стыковых соединений, чем в случае сети PON.
Исследования также обнаружили, что при сравнении с сетями на медной проводке характер
поведения затратных показателей для оптоволоконных сетей PON примерно тот же, что и
для цифровых каналов: при близком расположении места подключения к центральному офису
более дешевым оказывается развертывание сетей на медной кабельной проводке, в то время как
уже на расстоянии 2 мили от СО (central office) более выгодны решения на основе PON.

Если это так, то почему же не разворачивать повсеместно только сети PON? Во-пер-
вых, даже если пренебречь стоимостью волоконно-оптических кабелей сети PON, то сто-
имость электронного оборудования PON всеравно оказывается слишком высокой, чтобы та-
кое решение можно было считать экономически оправданным. Поэтому основным мотивом
инициативы FSAN было снижение стоимости оборудования PON. SBC и другие сетевые опе-
раторы во всем мире поняли, что если общая спецификация PON будет удовлетворять их
коллективные нужды, то у поставщиков оборудования появится стимул вкладывать сред-
ства в компоненты и системы PON, поскольку рынок в этом случае мог бы развиться до уровня
мирового. Стандарты ITU, основанные на предложениях компаний, входящих в группу FSAN,
были недавно утверждены, и удовлетворяющие этим стандартам продукты PON появились
на рынке. В случае сценария «кабель к жилищу» стоимость электронного оборудования, ус-
танавливаемого в помещениях клиентов, не должна превышать 500 долларов США. Мы счи-
таем, что такой уровень цен на стандартную продукцию вскоре будет достигнут.

Еще одной ключевой проблемой является стоимость развертывания собственно самой
оптоволоконной кабельной сети PON. Хотя основанные на рекомендациях группы FSAN сети
PON первоначально предназначались для приложений типа FTTH («кабель к жилищу»), SBC
приступила к развертыванию сетей PON для оказания услуг небольшим предприятиям. В
данном случае потребности корпоративных клиентов в пропускной способности и их готов-
ность за это платить выражаются более ярко. Предоставляемые при этом преимущества в
случае некоторых небольших предприятий могут оправдать повышенные цены на оборудова-
ние и затраты на прокладку волоконно-оптических кабелей. То, что рытье траншей вдоль
улиц для прокладки волоконно-оптических кабелей не следует закону Мура, а остается при-
мерно постоянным, является, к сожалению, реальным жизненным фактом. По этой причине
наибольший смысл развертывание систем FTTH имеет во вновь строящихся жилых масси-
вах, где оптоволоконные кабели могут быть уложены до того, как будут прокладываться
первые тротуары.

— Ральф Балларт

* Ральф Балларт (Ralph Ballart) — вице-президент группы Broadband Infrastructure and Services,
SBC Technology Resources, которая ответственна за выработку требований к широкополосным сете-
вым элементам и проведение исследований для SBC.
PON, или оптическая сеть доступа (optical access networks), как она4официально на-
зывается, имеет древовидную структуру, состоящую из нескольких ветвей, называемых
оптическими распределительными сетями (optical distribution networks — ODN). Для про-
кладки ODN от центрального офиса к помещениям клиентов используется смешанный
набор пассивных ответвителей, пассивных оптических аттенюаторов и соединителей
(splices) (см. рис. 9.5).

РИСУНОК 9.5

Сеть PON,

В PON могут использоваться активные устройства трех типов. В центральных офи-
сах телефонные компании устанавливают коммутаторы специального типа, называемые
линейными оптическими терминалами (optical line terminal — OLT). OLT либо самосто-
ятельно генерируют световые сигналы, либо принимают сигналы SONET (например, по
каналам ОС-12) от устанавливаемых совместно с ними кросс-соединителей SONET, и
осуществляют широкое вещание трафика через один или более абонентских портов.
Далее эти оптические сигналы принимаются либо модулем оптической сети (optical
network unit — ONU), либо оконечным устройством оптической сети (optical network
termination — ONT) и преобразуются в электрические сигналы, которые используются в
помещениях клиентов.

Выбор между ONT и ONU определяется тем, насколько близко волоконно-оптичес-
кий кабель подходит к жилому зданию или офису. Если волоконно-оптический кабель
подходит к жилищу или зданию (и в этом случае носит название, соответственно, ка-
бель к жилищу (Fiber to the Home — FTTH) или кабель к зданию/тротуару(Р1Ьег to the
Building/Curb — FTTB/C)), в помещениях клиентов устанавливаются ONT. Если же во-
локонно-оптический кабель не подходит к самому зданию, что часто имеет место в жилой
зоне, то в этом случае у обочины (кабель к границе (Fiber to the Curb — FTTC)) или
даже дальше, в телекоммуникационном шкафу, устанавливаемом на улице (кабель к
шкафу (Fiber to the Cabinet — FTTCab)), устанавливаются ONU. Далее, как в случае
FTTC, так и в случае FTTCab для передачи сигналов в помещения клиентов использу-
ются DSL. Все четыре сценария объединены под общим названием FTTx (см. рис. 9.6).

Головной

Местная

Узел

ADSL = Асимметричная цифорвая абонентская линия/цепь
FTTB - Кабель к зданию
FTTCab = Кабель к шкафу

Источник: "Full Service Access Network Requirements
Specification" (Спецификация требований к
сетям доступа с полным набором услуг)

FTTEx = Кабель к местной АТС

FTTH = Кабель к жилищу

FTTK = Кабель к тротуару

NTE = Оконечное сетевое оборудование

OLT = Терминал оптической линии

ONU = Модуль оптической сети
PON = Пассивная оптическая сеть
VDSL = Цепь сверхвысокоскоростной цифровой абонентской линии

РИСУНОК 9.6

Семейство сценариев «Кабель к х» (FTTx).

Варианты разработок PON

Вдоль всей древовидной структуры PON используется комбинация мултиплексиро-
вания с разделением длин волн (WDM), мультиплексирования с разделением времени
(TDM) и протокола доступа, в качестве которого может выступать либо ATM, либо, все
чаще, Gigabit Ethernet (см. рис. 9.7).

ATM PON, или APON, как их еще называют, работают как большие сети ATM. Кли-
енты устанавливают через PON виртуальные каналы (virtual circuits — VC) до пунктов
назначения, каковыми могут быть другие офисы или помещения ISP (Internet servise
provider — провайдер Intemet-услуг). С целью ускорения коммутации в сети телефон-
ной компании эти каналы объединяются в так называемые виртуальные пути (virtual
paths — Vpaths).

APON предоставляют возможность работы в двух режимах — симметричном и асим-
метричном. Симметричный режим, в котором передача данных в направлении OLT и
от них осуществляется с одинаковой скоростью, равной скорости передачи по линиям
ОС-3 (155,52 Мбит/с), возможен во всех случаях. Асимметричный режим работы также
определен для всех сценариев за исключением FTTH. В асимметричных APON переда-
ча входящих данных (downstream transmission), т.е. передача в направлении от OLT,
расположенного в центральном офисе, к ONU или ONT, происходит на скорости 155,52
Мбит/с или 622,08 Мбит/с, а передача исходящих данных (upstream transmission), т.е.
передача в направлении от ONU или ONT к OLT, — на скорости 155,52 Мбит/с.
РИСУНОК 9.7

Три уровня сети PON.

Ддя передачи входящих и исходящих данных используются два канала, роль кото-
рых могут играть либо два разных волновых канала одного и того же кабеля, либо два
разных кабеля. В первоначальной спецификации требовалось, чтобы передача входящих
данных осуществлялась по одиночным волоконно-оптическим кабелям в диапазоне 1480-
1580 нм, а по сдвоенным — в диапазоне 1260-1360 нм. Передача исходящих данных все-
гда осуществляется в диапазоне 1260-1360 нм.

Новый стандарт дополнительно вводит в APON возможности WWDM. Согласно
новым спецификациям для входящих данных используются два канала передачи — обыч-
ный, который использует диапазон 1480-1500 нм, и улучшенный, соответствующий ин-
тервалу длин волн 1539-1565 нм.

Этот новый диапазон определен для новых приложений, таких как услуги в области
широковещательного видео или обслуживание частных каналов для отдельных ONT. В
зависимости от плотности расположения каналов, которая оказывает влияние на каче-
ство передачи и задает уровень стоимости используемых лазеров, APON в настоящее
время могут поддерживать 16 волновых каналов (с интервалом между отдельными ка-
налами равным 200 ГГц) или 32 волновых канала (с интервалом между отдельными ка-
налами равным 100 ГГц). Однако необходимо иметь в виду, что поскольку для переда-
чи используется один волновой канал, а для приема — другой, то результирующие
показатели оказываются вдвое меньшими.

Если что и плохо, так это то, что для реализации новых каналов вероятнее всего по-
требуется дорогостоящее оборудование. Поскольку новый участок спектра более узкий, к
дрейфу частоты лазерного излучения должны предъявляться более жесткие требования.
Это означает, что оборудование PON, использующее возможности WWDM, вероятнее всего
потребует применения лазеров качества DFL, а не более дешевых лазеров Фабри-Перо.

В пределах всего основного диапазона 1480-1500 нм для обслуживания каналов при-
ема и передачи в APON используются архитектуры TDM. В пределах временных ин-
тервалов указанные сети ведут себя подобно LAN, реализующим Ethernet или ATM.

Доступ к сети осуществляется через OLT с использованием сложной структуры кад-
ров. Как входной так и выходной каналы делятся на кадры и элементарные временные
интервалы. Точный размер каждого из них зависит от конфигурации. В симметричной
сети, например, загружаемые (downstream) кадры состоят из 56 временных интервалов —
54 интервала для данных и 2 — для служебной информации. Каждый временной интер-
вал, в свою очередь, эквивалентен одной ячейке ATM размером 53 байта (см. рис. 9.8).
Размер выгружаемых (upstream) кадров составляет 53 временных интервала размером 56
байт каждый. Дополнительные три байта отводятся под служебную информацию, кото-
рую OLT может программировать для самых различных целей, таких, например, как
запрос разрешения ONU на передачу ячейки PLOAM или в качестве миниинтервала для
сбора различных типов управляющей информации. В асимметричных APON в направ-
лении загрузки данных для согласования со скоростью 622 Мбит/с используются в че-
тыре раза более емкие конфигурации кадров и временных интервалов.

РИСУНОК 9.8

Анатомия кадра PON.

В спецификациях APON используются ячейки двух типов. Ячейки данных перено-
сят всевозможную информацию, включая пользовательские данные, сигнальную инфор-
мацию, а также эксплуатационную и управляющую информацию. Ячейки PLOAM
(Physical Layer Operations and Maintenance — эксплуатационная и технологическая ин-
формация физического уровня) передают информацию, касающуюся физической инф-
раструктуры окружения сети. В ячейках PLOAM передаются также разрешения доступа
(grants) — вырабатываемые OLT коды, которые разрешают доступ к сети. OLT также
могут разделять временной интервал на миниинтервалы для сбора информации отно-
сительно очередей трафика ONU для реализации службы QoS, или службы динамичес-
кого распределения полосы пропускания (Dynamic Bandwidth Allocation — DBA), как она
именуется в стандарте.

А вот как все это работает. Коль скоро APON подготовлена к работе, телефонная
компания может добавить ONT, когда система находится в активном состоянии. Пери-
одически OLT создает временной зазор величиной в несколько сотен микросекунд во
временном интервале, соответствующем исходящим данным, и посылает специальный
разрешающий сигнал (special permission) — зондирующий сигнал разрешения доступа
(ranging grant), на который может ответить любое устройство. Новые устройства, вос-
принимающие зондирующий сигнал, отвечают на него, сообщая свой уникальный по-
рядковый номер. Когда устройство OLT получает подтверждение приема зондирующе-
го сигнала, оно конфигурирует ONT, используя информацию, необходимую для
присоединения к APON. Эта информация включает в себя идентификационный номер
APRON и параметры разрешения доступа (grant numbers) двух типов — относящиеся к
PLOAM (PLOAM grant number) и относящиеся к данным (Data grant number) парамет-
ры. Эти параметры будут использоваться для доступа к сети.

После этого за дело берется ATM. Когда OLT посылает по сети APON ячейку ATM,
каждое устройство OLT сравнивает идентификатор виртуального пути ячейки со своим
собственным. В случае их совпадения ONT копирует ячейку, удаляет ее из сети и пере-
сылает в помещения клиентов. Оборудование, установленное в каждом из помещений
клиентов, сравнивает идентификатор виртуального канала ячейки со своим собствен-
ным. В случае их совпадения узел копирует данные и удаляет ячейку.

Когда устройству ONT необходимо передать информацию, оно ждет, пока OLT не
передаст ячейку PLOAM. Каждая ячейка PLOAM содержит 26 или 27 параметров разре-
шения доступа, которые могут быть прочитаны любым устройством. ONT проверяет со-
держащийся в ячейке PLOAM параметр разрешения доступа, относящийся к данным. При
обнаружении своего параметра разрешения доступа устройство ONT использует разреше-
ния для передачи данных. После этого ячейка передается в составе исходящих (upstream)
данных. Приемник устройства OLT получает биты, используя преамбулу для восстанов-
ления синхронизации, считывает ячейки, после чего передает их на коммутатор ATM.

Безопасность и QoS

Вопросы безопасности и QoS являются «горячей» темой APON. Обеспечить безопас-
ность сетей APON не так-то просто, поскольку, как вам уже известно из предыдущего
? осуждения, любое устройство ONT может считывать ячейки. Какие-либо изначальные
!еханизмы обеспечения безопасности сети, которые предотвращали бы возможность
несанкционированного проникновения в сеть извне, в данном случае отсутствуют. Ос-
-:овное здесь то, что любая сеть доступа, даже голосовая, может быть довольно легко
:рослушана. Если требуется безопасность, то необходимо либо самому применять шиф-
ование, либо оплатить услуги по шифрованию, и тогда провайдер подключит к сети
шифрующие устройства.

Имея в виду вышесказанное, отметим, что текущей спецификацией APON предус-
отрено элементарное средство безопасности, называемое скремблированием. Суть его
зстоит в том, что полезные данные каждой ячейки пропускаются через алгоритм шиф-
эвания, который изменяет данные с помощью 24-битового ключа шифрования. Одна-
э даже 40-битовые ключи считаются слабой защитой. Степень защиты можно несколь-
э улучшить, применяя динамическое изменение ключа шифрования.

Хотя ATM предусматривает несколько типов каналов, текущая спецификация APON
ого не обеспечивает. Обработка трафика любого типа осуществляется одинаковым об-
□ом. В новом стандарте ITU в APON дополнительно вводится динамическое распреде-
•ние полосы пропускания (dynamic bandwidth allocation — DBA). DBA позволяет OLT
тределять, у какого устройства имеются данные для передачи, и в ответ на полученную
этом информацию передавать дополнительные разрешения доступа (grants). В OLT это
уществляется путем передачи миниинтервала с параметрами разрешения доступа. В ответ
\Т передает инфоромацию относительно своих очередей, указывая количество ячеек,
задающих передачи. Затем OLT оценивает объем данных, которые должны быть пере-
даны, проверяет, какой тип услуг закуплен данным клиентом, и анализирует текущие
условия трафика, а также ряд других факторов. Отталкиваясь от этой информации, OLT
высылает разрешение доступа, и ONT отвечает на него в обычном порядке.

Управляемость и живучесть

Сети общего пользования ничего бы не стоили, если бы не их надежность. Забудьте
на время об увеличенной производительности, усиленной безопасности и улучшенном
качестве обслуживания, которые предлагают APON. Без обеспечения подходящих сро-
ков наработки на отказ ни одна служба не могла бы функционировать сколь-нибудь
длительное время, откуда следует необходимость организации надлежащего управления
работой сети и обеспечения устойчивости к сбоям.

Если говорить об управлении, то оно обеспечивается ячейками РЬОАМ.Именно бла-
годаря им ONT могут сообщать OLT информацию о себе. Эти же ячейки используются
также для предоставления определенных битовых шаблонов, которые могут использо-
ваться для юстировки лазеров и измерения выходной мощности.

Что касается устойчивости к сбоям, то в разрабатывающейся спецификации APON
предусматривается избыточность сети. Согласно этому сценарию APON функциониру-
ет аналогично двухкольцевой конфигурации SONET. Каждое устройство ONT подклю-
чается к двум OLT. Далее, возможны два сценария защиты. Защита по схеме «один к
одному» (one-to-one; 1:1) позволяет передающему устройству выбирать, какую линию
использовать, не затрагивая остальные. Эта конфигурация может затем использоваться
провайдерами для помещения трафика UBR (unspecified bit rate ) в дублирующую ли-
нию с учетом того, что в случае сбоя трафик будет вытесняться из сети.

Второй подход носит название «защиты по схеме 1+1». Согласно этому сценарию
передающие и принимающие устройства по обе стороны сети выбирают для связи наи-
более чистую линию. В этом варианте при переключении в случае сбоя никаких потерь
трафика в дублирующей линии не происходит (см. рис. 9.9).

Защита по схеме 1:1

Защита по схеме1 +1

РИСУНОК 9.9

В схеме защиты «1:1» дублирующая линия используется для передачи низкоприоритетных данных.

При отказе основной линии эти данные теряются. Повышенную устойчивость сети к сбоям
обеспечивает схема защиты «1+1», в которой по обеим линиям передаются одни и те же данные, а
ONUи OLTнепрерывно выбирают из этих двух наборов данных более качественный.
Сети EPON и Ethernet на отрезке
«первой мили»

Трехкратный чемпион сейчас разминается перед поединком на ринге с PON. Нане-
ся поражение сначала Token Ring, затем FDDI, а после этого и ATM в корпоративных
сетях, Ethernet намеревается протянуть свои щупальца в сеть общего пользования через
сети EPON, т.е пассивные оптические сети Ethernet.

Сегодняшние спецификации PON требуют использования ячеек ATM, но ATM —
далеко не идеал. Как уже говорилось в главе 2, режим ATM — дока в доставке голосо-
вых и цифровых данных. Он предоставляет возможность гарантировать качество услуг,
а это как раз то, что нужно для поддержки голосовой связи и видео. Кроме того, этот
протокол работает с большинством имеющихся инфраструктур связи.

Все это очень хорошо. Проблемы же, связанные с ATM, носят двойственный харак-
тер. С точки зрения технической досаждает эта противная «плата за ячейку», означаю-
щая, что каждый раз, когда вы пытаетесь использовать ATM для передач трафика IP, часть
полосы пропускания расходуется напрасно. Это происходит из-за того, что ячейки ATM
имеют очень небольшой размер (53 байта), и часть пропускной способности, в конечном
счете, должна тратиться на служебную информацию о трафике и межкщфовые промежутки.

Кроме того, существует проблема стыковки ATM с Ethernet. Корпоративные и до-
машние сети не базируются на ATM — они используют ATM. В результате этого сетевые
операторы, а значит — и потребители, вынуждены платить за оборудование, осуществ-
ляющее все необходимые преобразования от ATM к Ethernet и обратно к ATM.

Не кажутся ли вам такие затраты бессмысленными? Таковыми воспринимает их и
большинство людей, работающих с сетями, и именно это и стимулировало начало раз-
работок сетей EPON. Перенос технологии Ethernet на отрезок «последней мили» не так
просто осуществить, как это может показаться. Несмотря на то, что этот протокол пользу-
ется огромной популярностью, прежде чем его можно будет использовать на «последней
миле», он должен быть значительно улучшен.

Владельцам линий нужны безотказные сети. Так было всегда. Сегодня же это при-
обрело более острый смысл и означает две вещи. Для предотвращения и локализации
сбоев необходимо иметь средства сбора статистических данных, касающихся работы сети
на нижних уровнях. В то же время, необходимо также иметь механизм восстановления
работоспособности сети, позволяющий быстро устранять неисправности. Спецификацией
традиционного протокола Ethernet ни то, ни другое не предусмотрено.

В качестве меры, направленной на преодоление этих, а также некоторых других
проблем, рабочая группа IEEE, ответственная за Ethernet, а именно — группа 802.3,
сформировала поисковую исследовательскую группу EFM (Ethernet in the First Mile —
Ethernet «первой мили»), перед которой стоит задача разработки спецификаций EPON.
Во время публикации этой книги группа только начала свою работу, но ею уже подго-
товлена заявка на получение полномочий относительно проекта (project authorization
request — PAR). Следующим шагом станет образование полноценной специальной ра-
бочей группы (с предположительным названием 802.3ah), которая сможет официально
приступить к работе на стандартом.
Относительно деталей EPON как таковой пока сообщалось мало. Известно только,
что по мере возможностей новый стандарт будет использовать существующие специфи-
кации Ethernet. Это означает, что уровень управления доступом к среде (media access
control — МАС), т.е. правила, согласно которым Ethernet распределяет доступ к линии,
останется неизменным. В то же время, поскольку стандарты, вероятно, будут полнос-
тью дуплексными, базовый протокол CSMA/CD использоваться не будет. Вместо этого
передача (upstream transmission) и прием (downstream transmission) данных будут осу-
ществляться по двум различным каналам. Основные принципы функционирования сети
также будут базироваться на предыдущих стандартах. В настоящее время объектом ис-
следования являются две скорости — 1 Гбит/с и 10 Мбит/с.

В чем, однако, различия будут сказываться, так это в архитектуре, типах среды пе-
редачи, на которые будут рассчитаны спецификации Ethernet, а также в характере тех-
нологической и служебной информации, поддерживаемой протоколом. Определяются
две базовые архитектуры — «точка-множество точек» и «точка-точка». Технология «точ-
ка-множество точек» позволяет одиночному устройству, установленному в помещении
провайдера, осуществлять передачу данных многочисленным абонентам. Группа разра-
батывает спецификации «точка-множество точек» только для волоконно-оптических ка-
белей. Сети «точка-точка», в которых для каждого абонента имеется своя линия, будут
описаны и для волоконно-оптических, и для медных кабелей.

Определяются четыре физических интерфейса. На стороне кабеля группа намеревает-
ся установить в качестве стандарта для 1>ON интерфейс 1 Гбит/с. Спецификация будет
охватывать расстояния по меньшей мере до 10 км, а возможно — и большие. Определя-
ются также соединения «точка-точка». Будет разработан вариант 1 Гбит/с (1000Base-X) для
работы по одномодовым волоконно-оптическим кабелям на расстояниях до 10 км. Будет
разработан также вариант для работы со скоростью по меньшей мере 10 Мбит/с на рас-
стояниях 2500 футов по ненагруженной голосовой одиночной паре медных кабелей.

Еще один круг существенных изменений в спецификациях связан с управлением
сетью. Стандарт будет включать в себя по меньшей мере три категории управляющей
информации. Средства дистанционной индикации отказов (remote failure indication) будут
оповещать устройства, установленные в помещении провайдера, о случаях отказа уст-
ройств. Удаленные цепи обратной связи позволят провайдерам тестировать передачу в
том виде, как она воспринимается со стороны CPE (Customer/client premises equipment
— абонентское устройство ), а мониторинг соединений даст им возможность контроли-
ровать сеть на предмет ошибок и сбоев в работе. Рассматривается также возможность
включения в стандарт таких дополнительных средств, как изоляция сбойных участков
и средства ведения учета и составления счетов.

Оценка Ethernet в отрыве от остальных компонентов сети всегда дает обманчивые ре-
зультаты, поэтому не вызывает сомнений, что то же самое останется справедливым и по
отношению к EFM. Отсюда следует, что критерии качества обслуживания, вопросы пре-
доставления гарантированных эксплуатационных характеристик, относящихся к нижним
уровням, а также вопросы безопасности сети в плане гарантированного обеспечения кон-
фиденциальности данных в спецификацию EFM, по всей видимости, включены не будут.

Это, однако, вовсе не означает, что не будет принято никаких мер в отношении этих
стандартов. Скорее всего, оба они будут охвачены дополнительными спецификациями,
разработанными другими рабочими группами IEEE. Как уже обсуждалось в главе 2,
вопросами QoS, которые никогда не потеряют своего значения, займется, вероятно,
группа 802.1q, а вопросами безопасности — группа 802.10.

Беспроводная оптика

И все же, даже при идеальном стечении обстоятельств, описанные оптические схе-
мы в течение какого-то промежутка времени не будут оказывать никакого влияния на
большую часть рынка. Если телефонные компании ежегодно обновляют проложенные
кабельные системы лишь на 5 % их протяженности, то прежде чем большинство пользо-
вателей смогут увидеть установленное у них волоконно-оптическое кабельное оборудо-
вание, пройдет еще лет десять.

И хотя технология DSL, а также технологии кабельной и широкополосной беспро-
водной связи будут еще долго удовлетворять большинство поставщиков оборудования,
некоторые провайдеры начинают развивать альтернативную схему — беспроводную оп-
тику. В этих системах распространение оптических сигналов через свободное простран-
ство обеспечивается путем передачи сигналов в области терагерцевых частот.

Используя оптические приемо-передатчики, беспроводная оптика (free-space
optics — FSO) в состоянии обеспечивать скорости передачи в интервале от 155 Мбит/
с до 10 Гбит/с. Как заявляют поставщики систем FSO, исключение волоконно-опти-
ческих кабелей позволит резко снизить стоимость монтажа. По оценкам одного по-
ставщика такая экономия может составлять от 20000 до 100000-200000 тысяч долларов
США на одно здание.

Хотите плохую новость? Устройства FSO ориентированы на двухточечную связь.
Отсюда следует, что хотя они и в состоянии обеспечить создание емкого канала к от-
дельному зданию, возможность их использования в качестве общего решения пробле-
мы локального доступа является чисто номинальной.

Не следует также сбрасывать со счетов факторы, ограничивающие допустимые рас-
стояния. Дальность соединений FSO может достигать одного — двух километров, да и
то лишь в удачный день. Условия окружающей среды также могут накладывать ограни-
чения на дальность и надежность связи (см. таблицу 9.3). Для достижения значения сред-
негодового показателя пребывания системы в работоспособном состоянии равного 99,99-
99,999 %, что эквивалентно времени простоя системы не более 5-53 минут в год,
протяженность FSO-соединения не должна превышать 200 м. Разумеется, решения на
основе волоконно-оптических кабелей обеспечивают намного большую дальность свя-
зи, достигающую 30-40 км.

Атмосферные условия	Типичные потери
Ясная погода	от —5 до —15 дБ/км
Дождь	от —20 до —50 дБ/км
Снег	от —20 до —150 дБ/км
Туман	от —50 до —350 дБ/км

Источник: «Wireless Optical Networking», Scott Bloom, Air Fiber, Supercomm 2001.
Резюме

Динамикой своего развития сети доступа заметно отличаются от центральной части
региональных сетей. Стоимость, делимость пропускной способности и диапазон интер-
фейсов — все эти факторы имеют решающее значение.

Большинство корпоративных пользователей сталкиваются в своих сетях с двумя труд-
ностями. С одной стороны, волоконно-оптические кабели подведены далеко не ко всем
офисам, а с другой стороны, пользователи вынуждены закупать пропускную способность
в большем объеме, чем это требуется.

Клиенты жилого сектора, желающие иметь быстрый доступ к Internet, могут выби-
рать между DSL, кабельной модемной или широкополосной беспроводной технология-
ми. Каждая из них страдает ограничениями, касающимися либо производительности
сети, либо дальности связи, либо прогнозируемости трафика.

В этих условиях основными решениями, использующими оптические компоненты,
следует считать пассивные оптические сети (PON) и беспроводные оптические систе-
мы. Наряду с ними многие провайдеры имеют также коммерческие варианты реализа-
ции WDM.

PON снижают стоимость систем за счет устранения активных компонент из инфра-
структуры. Сегодня наиболее заметны сети APON, хотя и сети EPON быстро завоевы-
вают рынок.

Беспроводные оптические системы обеспечивают оптические скорости на соедине-
ниях «точка-точка», но их возможности существенно ограничиваются подверженностью
влиянию условий окружающей среды.
Глава 10

Передача оптических сигналов

В этой главе ...

•	Сведение обеих частей воедино

•	Одноранговая модель

•	Возникновение MPLS

•	GMPLS

•	Оверлейная модель

•	ASON/ASTN

•	Резюме

jo мег стреттся к. величию
Сеть не является простой суммой частей, из которых она состоит. Собрав воедино
все необходимые коммутаторы и мультиплексоры, 10 Гбит/с Ethernet или SONET, вы
все равно не получите интеллектуальную сеть. Чего здесь не будет хватать, так это оп-
ределенного способа связи оптического уровня с приложением.

Вот здесь-то и вступают в игру обмен сигналами и протоколы маршрутизации сле-
дующего поколения. Как в мире пакетов, так и в мире каналов развиваются новые ар-
хитектуры и стандарты, которые позволяют телефонным компаниям разворачивать бо-
лее быстрые, обладающие улучшенными характеристиками отклика оптические сети,
которые смогут включать в себя оборудование различных поставщиков.

Эти изменения происходят на целом ряде различных уровней, многие из которых
имеют мало общего с лежащей в их основе передачей сигналов как таковой. С целью
обеспечения возможности достройки, или масштабирования, сетей путем включения в
них дополнительных устройств протоколы маршрутизации подвергаются пересмотру.
Возможность создания более быстрых конфигураций обеспечивается описанием новых
интерфейсов. Чтобы устройства трактовали DWDM-соединения как полные пути, а не
как дискретные отрезки, повышаются интеллектуальные возможности самого оптичес-
кого уровня. Наконец, разрабатываются технологии, которые позволят приложениям
управлять базовыми оптическими уровнями.

Каждый из перечисленных вопросов мог бы (и заслуживает того) составить предмет
рассмотрения отдельной книги. Здесь же мы коснемся лишь движущих механизмов и
общих характеристик соответствующих решений, делая ссылки на детали реализации в
необходимых случаях.

Сведение обеих частей воедино

Окончательным шагом в направлении создания интеллектуальной оптической сети
должно стать связывание приложений с базовым оптическим уровнем. В современной
сети общего пользования специфика отдельных типов передаваемого по сети трафика в
значительной степени никак не учитывается. Будь то голосовой или IP-трафик, сеанс
видеосвязи или электронная почта — все они получают в равной степени оптимальное
обслуживание. Пропускная способность резервируется в сети на неопределенный срок,
а если этот Срок и определяется, то исчисляется он неделями или месяцами. Однако по
мере того как телефонные компании начинают искать пути снижения расходов, наблю-
дается рост интереса к таким режимам работы сетей, в которых пропускная способность
предоставляется именно в таком объеме, который необходим, а нужные качественные
характеристики трафика обеспечиваются лишь на тот период времени, для которого это
требуется. Для достижения этой цели необходимо иметь возможность конфигурировать
базовую оптическую сеть с учетом специфики каждого отдельного вида трафика.

Для улучшения взаимодействия между данными и соответствующими средствами их
передачи развиваются два основных подхода. Одноранговая модель, или модель равно-
правных узлов (peer-to-peer model), отдает предпочтение единой сети, в которой приня-
тие решений относительно того, каким образом должна распределяться полоса пропуска-
ния в центральной части сети, возлагается на краевое оборудование, являющееся большей
частью цифровым. Различия между цифровыми и базовыми оптическими сетями смазы-
ваются, поскольку одноранговая модель предусматривает слияние протоколов обмена
сигналами (signaling protocols), необходимых для установления и разрыва соединений.
Такой подход преследует цели, которые не скоро смогут быть реализованы, особен-
но если учесть, что современные телефонные компании весьма скептически настроены
по отношению друг к другу и тщательно оберегают детали внутренней организации своих
сетей. Поэтому нет ничего удивительного в том, что одноранговая модель большей ча-
стью пропагандируется поставщиками цифровых данных, воспитанными на богатых
традициях сотрудничества в сети Internet.

Оверлейная модель (overlay model) использует намного более традиционный путь и
по существу требует поддержания двух раздельных сетей — оптического уровня и сете-
вого уровня. Предполагается, что принимать запросы от цифрового оборудования, а
также других типов аппаратуры для установления и разрыва каналов связи или путей
должен оптический уровень. Для принятой точки зрения характерно наличие существен-
ной иерархии, в соответствии с которой устройства, относящиеся к определенному
домену (domain), «знают» о сети больше, чем те, к этому домену не относятся. Отсюда
вытекает необходимость введения сетевых интерфейсов пользователя (user network
interfaces — UNI), экранирующих всю сложность сети (а заодно и секреты провайдера)
от тех, кто находится за пределами указанного домена, а также межсетевых интерфей-
сов (network to network interfaces — NNI), обеспечивающих раскрытие этой информа-
ции устройствам, относящимся к внутренней части сети. Оверлейную модель поддер-
живают традиционные операторы голосовой связи.

Одноранговая модель

Для реализации одноранговой модели во всей инфраструктуре оборудования долж-
на быть внедрена согласованная схема обмена сигналами. Легко сказать! Такой процесс
представляет собой громаднейшее начинание. На сегодняшний день IETF и все те, кто
определяет базовые протоколы, управляющие Internet, в значительной степени снима-
ют остроту проблемы путем расширения многопротокольной коммутации меток
(multiprotocol label switching — MPLS) на устройства, не являющиеся устройствами
Internet. Чтобы лучше понять сущность нового протокола, называемого обобщенным
протоколом MPLS (generalized MPLS — GMPLS), рассмотрим некоторые механизмы,
лежащие в основе MPLS, и попытаемся разобраться в том, как работает этот протокол
и в чем состоит сущность отличий, предлагаемых GMPLS.

Сегодняшние проблемы маршрутизации

В среде сообщества пользователей цифровых сетей бытует мнение, что протокол IP
может пригоден для передачи всех видов трафика, начиная от голосового и заканчивая
трафиком, связанным с передачей Web-страниц, электронной почты и видео. Кроме того,
что для этого требуется усовершенствовать базовую сеть, необходимым изменениям, по
целому ряду соображений, должно подвергнуться и функционирование самого прото-
кола IP. Указанные соображения касаются масштабируемости, сложности, производи-
тельности и обновляемости сети, а также качества оказываемых услуг.

Проблемы Internet, связанные с масштабированием, в последнее время значительно
возросли. По мере роста количества узлов образовалось и большее число путей, или мар-
шрутов, которые могут быть использованы для достижения того или иного узла. Инфор-
мация об этих маршрутах начинает «забивать» базы данных, называемые таблицами мар-
шрутизации, которые используются маршрутизаторами для перемещения пакетов из од-
ного пункта назначения в другой. Но в еще большей степени привел к дополнительному
«съеданию» производительности маршрутизаторов сам рост количества пакетов, подлежа-
щих обработке в процессе их пересылки между различными пунктами.

Дополнительные сложности связаны с ATM. Сложный характер передачи 1Р-трафи-
ка с использованием ATM и трудности масштабирования этого процесса выросли в ог-
ромную проблему. Маршрутизаторы связывались между собой в основном через вирту-
альные каналы ATM. С целью достижения максимальной производительности эти каналы
проектировались в виде полной сетки, т.е. каждый из маршрутизаторов в сети ATM был
связан с каждым из остальных (см. рис. 10.1).

РИСУНОК 10.1

При использовании ATM маршрутизаторы часто связываются при помощи полной сетки
виртуальных каналов.

Проблема здесь, в конечном счете, состоит в том, что каждый маршрутизатор являет-
ся соседним по отношению к каждому из остальных маршрутизаторов сети независимо
от их физического расположения. В соответствии с существующими протоколами марш-
рутизации соседние маршрутизаторы обмениваются друг с другом свежей информацией
относительно происходящих в сети изменениях. При небольшом количестве маршрути-
заторов в сети объемом генерируемой информации о маршрутах можно пренебречь, но
при добавлении п новых маршрутизаторов необходимо осуществить п4 обновлений инфор-
мации. Ввиду столь быстрого роста объема информации о маршрутах в больших сетях
может наступить такой момент, когда относящийся к передаче этой служебной информа-
ции трафик подавляет маршрутизатор. Хотя работа в подобных условиях и возможна, но
для этого обычно приходится жертвовать либо производительностью, либо простотой сель
Маршрутизации свойственны динамические процессы еще одного рода — конкурен-
ция. Коммутаторы уровня 2, подобные коммутаторам Erthemet, предлагают намного
лучшую производительность по сравнению с их собратьями-маршрутизаторами при
намного меньшей стоимости. Небольшой сюрприз: обычно коммутаторы уровня 2 обес-
печивают какую-то долю функциональных возможностей маршрутизаторов. Более того,
поскольку они проверяют лишь адреса уровня 2, а не уровня 3, они могут начинать
обработку пакетов раньше.

Для эффективного перемещения пакетов в пределах всей страны сеть все еще нуж-
дается в маршрутизаторах. Тем не менее, интерес к попыткам приспособить коммута-
ционную модель к задачам маршрутизации постоянно растет.

Переход на новый качественный уровень маршрутизации с обновленными функци-
ональными возможностями также стал явно более трудным. Одним из примеров этого
может служить так называемая бесклассовая междоменная маршрутизация (classless
interdomain routing — CIDR). Проще говоря, CIDR разработана для того, чтобы спра-
виться с целым рядом проблем IP-адресации, являющихся постоянной горячей темой
сетей, работающих под управлением IP. Как бы то ни было, CIDR требует изменения
алгоритмов пересылки почти на всех маршрутизаторах, а это трудоемкий по времени
процесс, требующий больших затрат денежных средств.

Наконец, существует проблема передачи трафика переменного типа. Среди некото-
рых провайдеров наблюдается все больший интерес к использованию IP-сети для пере-
дачи различных видов трафика. Это неминуемо затрагивает вопросы качества обслужи-
вания (QoS), как обсуждалось в главе 2. Однако функционирования службы QoS самой
по себе оказывается недостаточно. Имеющиеся в настоящее время схемы IP не в состо-
янии справиться с проблемами QoS, поскольку трафик IP начинает забивать каналы.
Первоначально маршрутизаторы останавливают свой выбор на некотором маршруте,
являющимся наиболее дешевым. Как только выбор маршрута осуществлен, протокол QoS
начнет назначать трафику этот маршрут. Наконец наступит момент, когда ресурсы это-
го пути будут исчерпаны, но маршрутизаторы будут предпочитать выделять именно его,
в результате чего наступит отказ службы QoS. Требуется решение, в котором QoS и
маршрутизаторы функционировали бы в едином ключе.

Возникновение MPLS

Ответом на указанную дилемму явилось изобретение нового способа маршрутизации
трафика IP, получившего название многопротокольной коммутации меток (multiprotocol
label switching — MPLS). В отличие от типичных протоколов маршрутизации в MPLS
используется идея потоков. Потоками называют цепочки пакетов, имеющие общие ко-
нечные узлы. При традиционной маршрутизации выбор подходящего маршрута осуще-
ствляется путем просмотра таблиц маршрутизации для каждого пакета. Каждый из
маршрутизаторов заполняет эти таблицы данными функционирующих в сети протоко-
лов маршрутизации для определения кратчайшего или наиболее быстрого маршрута по
сети между любыми двумя узлами (см. рис. 10.2).

В противоположность этому MPLS производит вычисление маршрута только один раз
для каждого потока пакетов, проходящего через сети данного провайдера. Далее эта ин-
формация о маршруте внедряется в каждый пакет в виде цепочки меток (отсюда и назва-
ние) — параметров, каждый из которых занимает небольшое фиксированное количество
байтов и которые обычно либо внедряются на уровне соединения, либо являются объек-
том ссылки для этого уровня. Расположенные вдоль всего пути маршрутизаторы могут
быстрее считывать и анализировать эти метки, что позволяет уменьшить время обработки
пакетов и улучшить характеристики масштабируемости маршрутизаторов.

Маршрутизация, основанная на пакетах

Маршрутизация, основанная на потоках

РИСУНОК 10.2

Традиционная маршрутизация предусматривает просмотр таблиц маршрутизации для каждого
пакета, пересекающего маршрутизатор. В случае MPLS просмотр таблиц осуществляется только
один раз для каждого набора потоков трафика — цепочек пакетов между двумя узлами назначения.

Разумеется, выше была представлена лишь значительно упрощенная картина довольно
сложного процесса. Давайте проследим за маршрутом, которым может следовать пакет,
переходя от одного узла к другому. Когда пакет покидает ваш PC, он, прокладывая свой
путь по сети, в конце концов, попадает в устройство, называемое краевым маршрутиза-
тором меток (label edge router — LER), вероятнее всего расположенное на входе в сеть
провайдера. LER играет роль швейцара у двери в сеть MPLS. По мере того как пакеты
проходят через LER, они анализируются, и для определения маршрутов, которыми они
должны следовать, используются типичные протоколы маршрутизации, видоизменен-
ные с учетом специфических требований MPLS. Так появились протоколы OSPF-TE
(для проектирования трафика) и BGP-TE. С помощью этих протоколов проектировщи-
ки сетей могут назначать соединениям различные параметры и затем использовать по-
лученную информацию для повышения производительности обслуживаемых ими сетей;
этот процесс называется проектированием трафика (traffic enfineering).

Пакеты также группируются в потоки трафика, называемые классами эквивалентной
переадресации (forward equivalence classes — FEC). Каждый FEC описывает определен-
ный тип потока трафика между двумя логическими узлами, например между сетями, ма-
шинами или даже процессами, выполняющимися на различных машинах. В результате
существует огромное количество потенциальных FEC, которые могут быть определены.

Проблема выбора нужного FEC сводится к нахождению решения на основе компро-
мисса между масштабируемостью и функциональностью. Более мощные потоки легче
масштабировать, поскольку их меньше. В то же время, мелкие потоки более гибки в том
плане, что для них легче подобрать маршрут по сети. В типичных случаях телефонные
компании будут реализовывать оба этих подхода в виде некоторой их комбинации, аг-
регируя, например, сначала потоки корпоративного трафика между двумя пунктами, а
затем более мелкие потоки, соответствующие отдельным типам услуг.

Коль скоро LER определил маршрут и FEC, к пакету прикрепляется тег. Обычно этот
ярлык прикрепляется к заголовку уровня 2 (например, Ethernet), но при недостатке места
в пределах уровня 2 добавляется небольшая ссылка, называемая прокладкой (shim), ко-
торая указывает маршрутизатору местонахождение метки в поле данных.

Чтобы гарантировать резервирование пропускной способности ровно в том объеме,
который требуется для передачи данных, LER использует протокол распределения ме-
ток (label distribution protocol — LDP). LDP, который может быть либо протоколом RSVP,
либо протоколом CR-LDP, позволяет LER резервировать пропускную способность вдоль
маршрута, выбранного его протоколами маршрутизации, и распределить необходимые
метки для направления трафика по этому маршруту. Результатом выполнения этих опе-
раций является установление пути, коммутируемого на основании анализа меток (label
switched path — LSP). Трафик, пересылаемый по этому LSP, пересекает желаемый мар-
шрут, указываемый LER. Каждый LSR считывает определенную метку, находит в ее
таблице, куда должны быть направлены пакеты, после чего осуществляет необходимые
для этого действия.

GMPLS

С реализацией протокола MPLS провайдеры получили в свое распоряжение лучшую
производительность своих сетей и лучший контроль над ними. В то же время, MPLS ос-
тавался ограниченным в смысле предоставления полосы пропускания в пределах физи-
ческой сети. В результате развития DWDM и систем оптической коммутации провайдеры
получили возможность изменять пропускную способность, отводимую данному каналу.
MPLS не зависит от характеристик такого типа. Поэтому в MPLS отсутствуют конструк-
ции, позволяющие запросить дополнительные объемы полосы пропускания для данного
канала в тех случаях, когда это может потребоваться крупным клиентам, например ISP.

Перейдем к рассмотрению обобщенного протокола MPLS (generalized MPLS —
GMPLS). GMPLS расширяет протокол MPLS за счет включения в него конструкций,
необходимых для управления не только маршрутизаторами, но и системами DWDM,
ATM, оптическими кросс-коннекторами и другими аналогичными устройствами. С по-
явлением GMPLS провайдеры получили возможность динамически распределять ресурсы
и обеспечивать необходимую избыточность для реализации различных методик защиты
и восстановления данных.

Важно иметь в виду, что GMPLS, как и MPLS, не является протоколом сетевого
уровня. Для того чтобы, например, сети TCP/IP могли функционировать, им еще тре-
буется протокол IP. GMPLS является протоколом обмена сигналами (signalling protocol),
который используется клиентским оборудованием для подачи сигналов другому обору-
дованию о необходимости установления соединения или разрыва цепей. Это является
значительным отличием от современных сетей, в которых пропускная способность дол-
жна вручную «закрепляться» сетевым оператором.
Чтобы вырваться из пут своих IP-корней, GMPLS расширяет возможности MPLS в
целом ряде важных направлений. Вносимые изменения оказывают влияние на базовые
свойства LSP, порядок запроса и передачи меток, однонаправленный характер LSP,
распространение ошибок и информацию, предоставляемую для синхронизации началь-
ных и конечных LSR пути.

В то время как MPLS имеет дело лишь с тем, что в GMPLS называется интерфейса-
ми, поддерживающими коммутацию пакетов (packet switch capable — PSC), в GMPLS
вводится четыре дополнительных типа интерфейсов. Интерфейсы, поддерживающие
коммутацию на уровне 2 (Layer-2 switch capable interfaces — L2SC), осуществляют пере-
сылку данных, основываясь на содержимом кадров и ячеек; интерфейсы, поддержива-
ющие TDM, или просто — интерфейсы TDM, осуществляют пересылку данных на ос-
новании временных интервалов данных; интерфейсы, управляемые длиной волны сигнала
(lambda switch capable — LSC), подобно оптическим кросс-коннекторам работают с
отдельными волновыми каналами или волновыми диапазонами, а интерфейсы, поддер-
живающие коммутацию волоконно-оптических кабелей (fiber switch capable — FSC) ,
работают с использованием одного или нескольких волоконно-оптических кабелей.

Эти устройства устанавливают LSP так же, как и в MPLS. LSP может быть маршру-
тизированным потоком IP-пакетов, но в равной степени он может представлять собой
и другой тип соединения, например оптический путь (optical path) или канал (circuit)
SONET. Не забывайте о том, что пути должны начинаться и заканчиваться на устрой-
ствах одного типа. Так, LSP, представляющий собой канал SONET, должен начинаться
и заканчиваться на устройстве SONET.

Все эти различные LSP образуют гнездовые структуры, типичные для MPLS. В MPLS
потоки агрегируются в более крупные потоки. Эта же основная идея используется и в
данном случае с тем лишь отличием, что теперь LSP являются виртуальными представ-
лениями физических конструкций. Так, LSP, представляющие каналы SONET более
низкого уровня, могут быть вложены все вместе в канал SONET более высокого уров-
ня. Аналогичным образом, LSP, действующие между FSC, могут содержать в себе те,
которые действуют между LSC, и так далее последовательно для интерфейсов TDM, L2SC
и, наконец, PSC (см. рис. 10.3).

LSC

PSC I

РИСУНОК 10.3

Иерархия LSP.

Иными словами, GMPLS во многом функционирует аналогично MPLS. LSP устанав-
ливаются с использованием RSVP-ТЕ или CR-LDP для пересылки сообщений, называе-
мых запросами метки/пути (path/label request message). Такое сообщение содержит зап-
рос обобщенной метки (generalized label request), нередко — объект явно определенного
маршрута (explicit route object — ERO), а также некоторые параметры, специфические для
каждого отдельного вида технологии. Запрос обобщенной метки является дополнитель-
ным элементом GMPLS, который задает тип применяемого кодирования LSP и тип по-
лезных данных LSP. Тип кодирования обозначает тип соответствующей технологии, на-
пример, SONET или Gigabit Ethernet. Тип полезных данных LSP указывает вид информа-
ции, передаваемой в составе блока полезных данных LSP. С помощью ERO в той или иной
степени контролируется путь, который используется LSP в сети.

Как и в MPLS, сообщение достигает пункта назначения, последовательно проходя
через ряд узлов. Пункт назначения высылает в ответ необходимые метки, которые встав-
ляются в таблицы каждого из LSR вдоль всего пути. Как только ответ достигает LER,
инициировавшего запрос, становятся возможными установление LSP и пересылка тра-
фика к пункту назначения.

Оверлейная модель

Фундаментальной проблемой модели равноправных узлов является то, что она иг-
норирует динамику сегодняшнего, в высшей степени конкурентного рынка. Провайде-
ры очень неохотно раскрывают детали внутреннего устройства своих сетей конкурен-
там, так что говорить о подлинной равноправности не приходится.

В оверлейной модели эта проблема решается путем определения различных интер-
фейсов сети. Наиболее распространенным является сетевой интерфейс пользователя (user
network interface — UNI). Это упрощенный интерфейс, который скрывает сложность
(коммерческую информацию!) сети от клиента. Считайте, что он работает так же, как
ваш обычный телефон. Вы можете затребовать канал, подняв трубку и набрав номер.
Могут также быть определены и другие операции, такие как перевод звонка. Однако вы
пользуетесь всем этим, не имея ни малейшего понятия о той технологии, на которой
построена сеть провайдера.

UNI для спецификации GMPLS определяет межсетевой оптический форум (optical
internetworking forum — OIF) — промышленный консорциум поставщиков. UNI опре-
деляет для клиента способ, называемый UNI-С, который позволяет вызывать сетевые
транспортные службы с помощью UNI-N, устройства в сети другого провайдера. Суть
идеи здесь состоит в том, что если провайдеру, скажем — ISP, потребуется дополнитель-
ная сетевая пропускная способность, он сигнализирует об этом компанию, обслужива-
ющую основную сеть, которая автоматически активизирует необходимую полосу про-
пускания (см. 10.4).

В настоящее время возможности UNI ограничены тремя операциями. Операция со-
здания соединения позволяет активизировать между двумя точками соединение, обла-
дающее заданными свойствами. Такие соединения могут подчиняться правилам, опре-
деляемым оператором, включая ограничения на допустимые группы пользователей или
процедуры обеспечения безопасности. Операция удаления соединения позволяет унич-
тожить установленное соединение. Операция опроса состояния соединения позволяет
узлам извлекать определенную информацию путем опроса сети. Возможность измене-
ния свойств соединения после того, как оно уже установлено, в настоящее время не
поддерживается.

Виды соединений, которые могут устанавливаться на сегодняшний день, ограниче-
ны SONET и SDH. Точнее, OIF-соединение представляет собой комбинацию метода
формирования кадров, метода конкатенации, прозрачности и полосы пропускания пе-
редаваемого сигнала. Детали сведены в таблице 10.1.
РИСУНОК 10.4

Запрос ISP полосы пропускания через интерфейс UNI.

Таблица 10.1 Типы соединений

Элемент	Пояснение
Метод формирования кадров	SONET или SDH
Прозрачность «XXX»	Клиентам не разрешено модифицировать байты заголовка, связанные с «XXX», где «XXX» может быть разделом, линием или путем.
Типы сигналов	Поддерживаются все типы сигналов SONET и SDH. В рамках SONET таковыми являются STS-1 SPE, STS-1, STS-3, STS-12, STS-48, STS-192 b STS-768.
Конкатенация	Способ объединения кадров SONET. Кадры могут либо не объединяться (отсутствие конкатенации — стандартный режим), либо объединяться в непрерывные цепочки.

ASON/ASTN

Как только группа IETF приступила к работе над MPLS, ITU начал разрабатывать
спецификации автоматической коммутируемой транспортной сети (automatic switched
transport network — ASTN) и автоматической коммутируемой оптической сети (automatic
switched optical network — AOTN). ASTN представляет собой расширенный набор фун-
кциональных возможностей коммутации, применимый к SONET и OTN. ASON будет
применяться лишь к OTN.

В рамках развиваемого ITU/ANSI подхода сеть состоит из клиентов с переменными
уровнями доступа к информации в сети с отличающейся функциональностью. В каче-
стве клиента может выступать мультиплексор или система WDM, но точно так же им
может быть и клиент Ethernet или какой-либо другой клиент, реализующий GFP.

Эти клиенты подключаются к сети через один из сетевых интерфейсов трех различ-
ных типов — сетевой интерфейс пользователя (user network interface — UNI), внешний
межсетевой интерфейс (external network-to-network interface — E-NNI) и внутренний
межсетевой интерфейс (internal network-to-network interface — I-NNI) (см. рис. 10.5). UNI
определяет возможные способы доступа пользователя к сети своего провайдера. В этом
случае предоставляется лишь самая простейшая информация — имя и адрес конечного
узла, управляющая информация, используемая для аутентификации и клиента и про-
верки наличия у него допуска, а также сообщения службы соединений.
РИСУНОК 10.5

Интерфейсы в сети OTN

В то же время, провайдеры должны предоставлять больший объем информации о себе
как в процессе обменов друг с другом, так и в процессе обменов между устройствами сво-
ей сети в пределах собственных доменов. Интерфейсы E-NNI предоставляют информа-
цию, касающуюся достижимости узлов, или сводную информацию о сетевых адресах,
вместе с информацией, используемой для идентификации клиентов и проверки наличия
у них допуска, а также сообщения службы соединений. Представьте себе электронную
адресную книгу, которую одна телефонная компания передает следующей и которая со-
держит информацию относительно всех доступных узлов. Интерфейсы E-NNI могут так-
же использоваться для связи между подразделениями одного провайдера или уменьше-
ния объема информации о сетевой топологии, которой сети обмениваются между собой.
В случае E-NNI другому провайдеру известны только доступные клиенты, которым мо-
жет быть «сделан звонок», но точные пути через сеть неизвестны. Интерфейсы I-NNI идут
на шаг дальше. Интерфейсы этого типа позволяют устройствам получать самые драгоцен-
ные сведения — информацию о топологии или маршрутизации для сети провайдера, а так-
же сообщения службы соединений и информацию, необходимую для избирательного кон-
троля сетевых ресурсов.

Посредством этих интерфейсов клиенты могут использовать для подключения три
различных типа каналов — предоставляемые (provisioned) каналы, сигнальные (signaled)
каналы и гибридные каналы. Предоставляемые каналы, называемые также постоянны-
ми аппаратными (hard-permanent) каналами, являются тем, во что обычно вкладывает-
ся смысл понятия выделенных линий. Далее, либо с использованием управляющей стан-
ции сети, либо путем вмешательства оператора, каждый отдельный элемент сети,
встречающийся на определенном пути, конфигурируется в соответствии с требуемой
инфоромацией для установления соединения между двумя конечными узлами.
С другой стороны, сигнальные каналы устанавливаются в динамическом режиме
конечным узлом, запрашивающим полосу пропускания. Для установления соединения
между конечными узлами этому типу соединений требуется сетевая адресная информа-
ция. Когда мы набираем телефонный номер, устанавливаемый канал связи относится к
сигнальному типу.

Новинкой в этой области являются гибридные соединения. Они представляют со-
бой нечто среднее между предоставляемыми и сигнальными каналами. Гибридные ка-
налы характеризуются осуществлением подключения к ASTN через предоставляемые
соединения, но подключения к другим узлам внутри ASTN реализуются через комму-
тируемые соединения. Поскольку в данном случае используется комбинация двух ти-
пов соединений, гибридные соединения называют также программно предоставляемы-
ми соединениями (soft provisioned connections — SPC). Различяи между SPC и обычным
постоянным каналом конечным узлом не ощущаются.

Резюме

Существует два основных подхода к объединению оптических сетей с цифровыми:
модель равноправных узлов (peer-to-peer model), или одноранговая модель, и оверлей-
ная модель. Одноранговая модель сводит оптическую и цифровую сети в одну сеть. В
оверлейной модели оба типа сети сохраняют свою различимость, используя различные
сетевые интерфейсы.

Многочисленные трудности, с которыми приходится сталкиваться при использова-
нии имеющихся схем маршрутизации, привели в индустрии цифровых сетей к разра-
ботке протокола MPLS.

С помощью GMPLS группа IETF распространяет действие протокола MPLS на та-
кие элементы сетей, не охватываемые протоколом IP, как кросс-коннекторы или уст-
ройства мультиплексирования методом добавления/ответвления каналов.

В то же время, GMPLS предусматривает равные возможности доступа к сетевой
информации для всех устройств. Конструкции, подобные сетевому интерфейсу пользо-
вателя (user network interface — UNI), который был разработан консорциумом OIF, в
GMPLS отсутствуют.

В сетях ASON/ASTN клиентские сети смогут непосредственно вызывать различные
службы сети.
Глоссарий

1000Base-T

Спецификация для сетей Ethernet со скоростью передачи до 1000 Мбит/с на основе
неэкранированной витой пары (unshielded twisted pair — UTP) и волоконно-оптичес-
кого кабеля.

100Base-T

Спецификация для сетей Ethernet со скоростью передачи до 100 Мбит/с на основе
неэкранированной витой пары (unshielded twisted pair — UTP) и волоконно-оптичес-
кого кабеля.

10Base-T

Спецификация для сетей Ethernet со скоростью передачи до 10 Мбит/с на основе
неэкранированной витой пары (unshielded twisted, pair — UTP) и волоконно-оптичес-
кого кабеля.

802.1q

См. VLAN.

802.3ае

Подкомитет IEEE в рамках рабочей группы 802.3, разрабатывающий спецификацию
10 Гбит/с Ethernet.

acousto-optic switches

акустооптические коммутаторы

Тип коммутаторов, в которых для управления направлением распространения света
применяется акустическое воздействие, вызывающее различные изменения плотно-
сти вещества в различных областях, что приводит к изменению угла отклонения света,
сталкивающегося с веществом.
ADM

Add-drop multiplexer ( мультиплексор добавления/ответвления каналов) — устройство,
которое добавляет или исключает выбранные волновые каналы из линии. Оптические
ADM (OADM) осуществляют ^мультиплексирование каналов в оптических линиях,

all-optical switches

оптические коммутаторы

См. ООО switches

amplifier

усилитель

Устройство, которое увеличивает уровень сигнала. Усилители не проявляют интел-
лектуальности в процессе своей работы, усиливая наряду с сигналами и шумы, при-
надлежащие усиливаемому диапазону.

angle of incidence

угол падения

Угол, под которым световой луч сталкивается с поверхностью вещества, измеряемый
от нормали.

angle of reflection

угол отражения

Угол, под которым свет отражается объектом. Угол отражения равен по величине углу,
под которым свет падает на объект, измеряемому от нормали.

APON (ATM PON)

Пассивные оптические сети (passive optical networks — PON), в которых для транспор-
тировки сигнала используются ATM.

AS

Autonomous systems (автономные системы) — выражение, используемое в протоколах
маршрутизации по отношению к системам, находящимся в административном веде-
нии и под единоличным контролем пользователя, группы или же организации. Каж-
дая AS описывается своим номером ASN (AS Number). Например, номер ASN 1 за-
регистрирован за компанией Genuity. Для перемещения трафика между AS обычно
используются BGP, тогда как для маршрутизации данных в пределах отдельной AS —
маршрутный протокол, например OSPF.

ATM

Asynchronous transfer mode — асинхронный режим передачи.

band Alters

полосовые фильтры

Интерференционные фильтры, которые отражают или пропускают волны в некото-
ром частотном диапазоне.

Benes switch fabric

Коммутационная структура Бенеша

Способ расширения коммутационной структуры Клоза за счет использования пос-
ледовательности коммутирующих элементов небольшой размерности.
BGP

Border gateway protocol (протокол граничного шлюза) — основной протокол маршру-
тизации, используемый для организации связи между областями больших сетей, на-
зываемыми автономными системами.

BGP-TE

Border gateway protocol for traffic engineering (протокол граничного шлюза для проекти-
рования трафика) — протокол маршрутизации, используемый совместно с протоко-
лом MPLS для расчета кратчайшего пути между двумя точками исходя из проектных
параметров трафика, назначаемых соединениям проектировщиком сети. BFP-TE ис-
пользуется для расчета маршрутов между AS провайдеров.

blocking

блокирование

Ситуация невозможности установления соединения между входным и выходным пор-
тами в силу того, что между ними уже существует соединение.

BLSR

Bidirectional line-switched rings (кольцевые сети с коммутацией двунаправленных ли-
ний) — схема защиты кольцевых сетей SONET, в которой для передачи данных,
исключенных из трафика при отказе основного кольца, используется резервное коль-
цо. Схема 4F-BLSR, в которой используется четыре волоконно-оптических кабеля,
по два в каждом направлении, обеспечивает выделенную защиту путем предоставле-
ния альтернативного кольцевого маршрута и защиту от зацикливания пакетов. В схеме
2F-BLSR используется два волоконно-оптических кабеля, по одному в каждом на-
правлении, и она обеспечивает выделенную защиту путем предоставления альтерна-
тивного кольцевого маршрута.

ВЕС

Bose-Einstein condensate — самый холодный из когда-либо созданных материалов, ко-
торый существует лишь при —273,3 ?С. Он используется для задержки света в лабо-
раторных условиях, что, в конечном счете, может привести к появлению таких, на-
пример, разработок, как оптическая память.

broadcast traffic

широковещательный трафик

Трафик, высылаемый из одного узла сети в адрес всех остальных узлов.

bubble switches

пузырьковые коммутаторы

Коммутаторы, позволяющие перенаправлять свет между портами путем создания
пузырьков в узлах сетки, заполненной специальной жидкостью. Обычно свет прохо-
дит через жидкость. При образовании пузырька свет отклоняется в направлении
нужного канала.

C-band

Conventional band (основной диапазон) — относится к спектральному диапазону длин
волн 1530-1565 нм.
centimeter

сантиметр

Одна сотая часть метра.

chromatic dispersion

хроматическая дисперсия

Расползание импульса вследствие различий во временах распространения импуль-
сов с различными длинами волн по волоконно-оптическому кабелю.

circulator

циркулятор

Компонент, который ведет себя подобно оптическому вентилю (isolator), но соеди-
няет три или четыре волоконно-оптических кабеля.

cladding

плакировка

Тонкий слой стекла, окружающий центральную жилу волоконно-оптического кабе-
ля. Поскольку показатель преломления плакировки имеет меньшую величину по срав-
нению с показателем преломления центральной жилы, сигнал удерживается внутри
нее, отражаясь от плакировки.

CLECs

Competitive local exchange carriers (произносится «си-лекс») — конкурирующая группа
местных телефонных компаний, созданная в результате принятия в 1996 году Зако-
на о телекоммуникациях.

Clos switch

коммутаторы Клоза

Тип коммутаторов, в котором в качестве соединительных узлов в коммутаторах ис-
пользуются небольшие перемычки.

coaxial

коаксиальный кабель

Тип кабеля, используемый в ранних реализациях сети Ethernet

connectionless

без предварительного установления соединения

Тип сетей, в которых узлы могут передавать данные без предварительного установ-
ления логического соединения с пунктом назначения.

connection-oriented

с предварительным установлением соединения

Тип сетей, в которых прежде чем данные смогут быть переданы, должно быть уста-
новлено логическое соединение с пунктом назначения.

constructive interference

конструктивная интерференция

Взаимодействие двух находящихся в фазе волн, в результате которого амплитуда
сигнала усиливается.
core
центральная жила

Часть волоконно-оптического кабеля, по которой передается оптический сигнал.
Термин core используется также в отношении центральной части, или сердцевины, сети.

couplers

ответвители

Компоненты, задачей которых является распределение оптической мощности между
портами. Пассивные ответвители соединяют друг с другом два волоконно-оптичес-
ких кабеля. Активные ответвители вырабатывают в сетях два отдельных выходных
сигнала.

critical angle

критический угол

Угол падения, при превышении которого преломление света на границе раздела двух
сред больше не происходит и он полностью отражается обратно в исходную среду.
Соответствующее явление называется полным внутренним отражением.

crossbar switch

координатный коммутатор

Тип коммутаторов, в которых входные и выходные порты пересекаются друг с дру-
гом, образуя своеобразную матрицу.

custom queuing

регулируемая очередь

Процедура, позволяющая выделять классам трафика пропускную способность линии
заданной величины путем предоставления различных объемов пространства очереди
каждому классу и последующего их обслуживания одного за другим.

cut-off wavelength

граничная длина волны

Наименьшая длина волны, при которой многомодовый волоконно-оптический ка-
бель все еще предоставляет две или более траектории для распространения света.
Можно сказать и по-иному — это наибольшая длина волны, при которой по одно-
модовому кабелю может распространяться только одна мода.

DBA

Dynamic bandwidth allocation (динамическое распределение полосы пропускания) —
позволяет OLT определять, у кого имеются данные для пересылки, и в зависимости
от этой информации выделяет дополнительные порции полосы пропускания.

dBji

Показатель в децибелах относительно уровня мощности 1 микроватт.

dBm

Показатель в децибелах относительно уровня мощности 1 милливатт.

DBR laser

лазер DBR

Лазер на распределенной отражательной решетке Брэгга (distributed Bragg reflection laser) —
аналогичен DFL, но в данном случае решетка размещена снаружи резонатора.
DCS

Digital crossconnect system (цифровой кросс-соединитель) — устройство, которое при-
нимает входящие TDM-сигналы и коммутирует их между портами.

decibels

децибелы

Единицы уровня мощности.

decimeter

дециметр

Одна десятая доля метра.

demultiplexer

демультиплексор

Устройство, предназначенное для выделения мультиплексированных сигналов из
волоконно-оптического кабеля.

destination address
адрес назначения

Адрес станции, принимающей кадр или пакет.

destructive interference

деструктивная интерференция

Взаимодействие двух волн, фазы которых не совпадают, в результате чего они вза-
имно гасят друг друга и сигнал ухудшается.

detectors

детекторы

Устройства, детектирующие световой импульс.

DFL

Distributed feedback laser (лазер с распределенной обратной связью) — аналогичен
лазеру Фабри-Перо, но содержит дополнительную гофрированную решетку, нане-
сенную на внутреннюю поверхность резонатора. Эта решетка пропускает лишь из-
лучение с нежелательной частотой, удерживая излучение с нужной частотой внутри
резонатора лазера.

dichroic filters

дихроические фильтры

Тонкие пленки, избирательно отражающие или пропускающие излучение с различ-
ными длинами волн. Дихроические фильтры используются в бинокулярных и фото-
объективах.

diffraction

дифракция

Огибание волной объекта, размеры которого меньше длины волны.

diffusion reflection

диффузное отражение

Отражение параллельных лучей от шероховатой поверхности под различными угла-
ми, приводящее к появлению искажений.
digital wrapper

упаковка цифровых данных

См. OTN.

direct modulation

непосредственная модуляция

Включение и выключение светового источника путем изменения величины пропус-
каемого через него тока.

dispersion

дисперсия

Расползание распространяющегося пакета с течением времени.

dispersion-limiting fibers

противодисперсионные волоконно-оптические кабели

Специальные волоконно-оптические кабели, предназначенные для борьбы с хрома-
тической дисперсией.

DPT

Dynamic packet transport (динамическая передача пакетов) — принадлежащая компа-
нии Cisco Systems торговая марка технологии SRP.

drift

дрейф

Смещение длины волны лазерного излучения с течением времени.

DSF

Dispersion shifted fiber (волокно со смещенной дисперсией) — волокно, характеристики
которого могут изменяться, что позволяет воспользоваться некоторыми его свойства-
ми, уменьшающими ослабление сигналов. См. также ZDSF и NZDSF.

DTM

Dynamic synchronous transfer mode (режим динамической синхронной передачи) — тех-
нология, применяемая для передачи видеоинформации в региональных сетях.

duplex-Ethernet

Версия стандарта Ethernet, в которой передача и прием пакетов осуществляются по
двум различным парам проводов.

DWDM

Dense wavelength division multiplexing (мультиплексирование по длине волны высокой
плотности) — мультиплексирование при частотном промежутке между отдельными
каналами равном или менее 200 ГГц.

E-band

Extended band (расширенный диапазон) — относится к спектральному диапазону длин
волн 1360-1460 нм.

EDFAs

Erbium-doped fiber amplifiers (усилители на оптических волокнах, легированных эрбием) —
наиболее широко используемые в настоящее время усилители. Эти усилители пред-
назначены для работы в диапазоне длин волн 1530-1620 нм.
edge emitters

поперечные излучатели

Тип лазеров, излучение которых направлено в боковом относительно лазера направ-
лении.

EFM

Ethernet in the first mile (Ethernet для «первой мили») — возникающий внутри Ethernet
стандарт, который определит использование EPONS.

electroholographic switches

электроголографические коммутаторы

Коммутаторы, в которых процесс коммутации осуществляется с использованием го-
лографических изображений решетки Брэгга, создаваемых в специальных кристал-
лах, называемых KLTN (potassium lithium tantalate niobate — танталат-ниобат лития-
калия). Обычно свет беспрепятственно проходит через эти кристаллы, но когда
прикладывается электрическое напряжение и активизируется голограмма, входящий
световой сигнал отклоняется в определенный выходной порт.

electromagnetic radiation

электромагнитное излучение

Волны, образованные электрическим и магнитным полями, колеблющимися в орто-
гональных, т.е. перпендикулярных, направлениях относительно друг друга.

electro-optical switches

электрооптические коммутаторы

Коммутаторы, в которых электрооптический эффект используется для изменения
скорости распространения света по световоду, что позволяет направлять световые сиг-
налы в различные порты.

encoding

кодирование

Процесс преобразования информации в биты данных, передаваемые по волоконно-
оптическим или проводным линиям.

EPONs (Ethernet PONs)

Пассивные оптические сети (passive optical networks — PON), в которых в качестве
транспортного протокола используется протокол Gigabit Ethernet.

ESBGs

Electrically switchable Bragg gratings (электрически коммутируемые решетки Брэгга),
произносится «эс-багз». В этой технологии для создания решетки Брэгга капли жид-
кого кристалла наносятся на полимер, которым покрывают световод. В отсутствие
приложенного электрического напряжения решетка отклоняет распространяющиеся
по световоду волны определенной длины. При приложении напряжения решетка
исчезает, и свет проходит по световоду напрямую обычным образом.

Ethernet

Стандарт, первоначально предложенный для локальных сетей, работающих со ско-
ростью 10 Мбит/с, в котором для управления доступом к сети используется прото-
кол CSMA/CD.
external modulators

внешние модуляторы

Компоненты, используемые для предоставления и перекрытия доступа потоку лазер-
ного излучения в волоконно-оптический кабель.

Fabry-Perot laser

Лазер Фабри-Перо

Тип лазеров, в которых концы резонатора окружены полуотражающим материалом.
При достижении состояния инверсной заселенности свет проходит через этот мате-
риал, излучая дополнительные световые волны.

FDM

Frequency division multiplexing (мультиплексирование с разделением частот) — способ
объединения множества аналоговых сигналов в одной линии за счет осуществления
их передачи на различных частотах.

НЕС

Forward equivalence class (класс эквивалентной переадресации) — описание процесса
передачи пакетов между двумя логическими узлами, которые обладают определен-
ными общими рабочими характеристиками. Такие логические узлы могут принадле-
жать различным сетям, устройствам или же процессам в различных устройствах. •

femtometer

фемтометр

Одна квадриллионная часть метра.

fiber

волоконно-оптический кабель

Стеклянное волокно, используемое для передачи оптических сигналов.

fiber Bragg grating

оптоволоконная решетка Брэгга

Специальным образом обработанное оптическое волокно, на которое нанесены «по-
лоски» материала с другим показателем преломления, отражающие волны в некото-
ром узком диапазоне длин волн и пропускающие другие волны.

filters

фильтры

Устройства, которые ослабляют волны, принадлежащие определенному диапазону
частот или длин волн, и пропускают другие волны почти без изменений.

Frame Relay

ретрансляция кадров

Протокол, используемый для создания глобальный сетей, в котором данные между
пунктами назначения передаются в виде кадров.

frequency

частота

Число волновых колебаний в секунду. Чем выше частота, тем меньше длина волны.
FSAN

Full Service Access Network (сеть доступа к полному набору услуг) — консорциум, осно-
ванный в 1995 году семью компаниями с целью создания всеобщей спецификации для высо-
коскоростной технологии «последней мили».

FSC interfaces

Fiber switch cable interfaces (кабельные интерфейсы коммутаторов волоконно-оптичес-
ких линий) — интерфейсы, которые осуществляют передачу данных в зависимости от их
местонахождения в физическом пространстве в данный момент времени.

FSO

Free-space optics

Беспроводные оптические линии связи — технология организации локальных цепей,
в которой передача оптических сигналов осуществляется не по волоконно-оптичес-
кому кабелю, а через атмосферы (которая позволяет передавать данные между дву-
мя или несколькими точками с помощью лазера — прим, научи, ред.).

FTTB

Fiber to the building («волокно к зданию»)

FTTC

Fiber to the curb («волокно к тротуару»)

FTTCab

Fiber to the cabinet («волокно к шкафу») — волоконно-оптический кабель, протяну-
тый от обочины в распределительный шкаф.

FTTH

Fiber to the home («волокно к жилищу») — волоконно-оптический кабель, протяну-
тый в жилище.

FTTx

Общее название для всех технологии типа «Fiber То The X» («кабель к X»), где X может
обозначать жилище (h — home), здание (b — building), тротуар (с — curb) или рас-
пределительный шкаф (cab — cabinet).

generalized switch

коммутатор общего типа

Тип коммутаторов, которые позволяют устанавливать соединения между одним вход-
ным портом и многими выходными или же между многими входными портами и
одним выходным.

GI fiber

Graded index fiber (волоконно-оптический кабель с градиентным профилем показателя пре-
ломления) — тип волоконно-оптических кабелей, в которых показатель преломления
RI сначала плавно увеличивается при перемещении по диаметру центральной жилы
от края к центру, где достигает максимума, а затем вновь плавно уменьшается при при-
ближении к периметру кабеля, что обеспечивает значительное увеличение дальности
связи по сравнению с кабелями со ступенчатым профилем показателя преломления.
GMPLS

Generalized multiprotocol label switching (обобщенная многопротокольная коммутация
меток) — расширение функциональных возможностей MPLS с целью включения эле-
ментов, не охватываемых IP-протоколом (non-IP elements), таких как кросс-соеди-
нители, маршрутизаторы волновых каналов (wavelength routers) или оптические муль-
типлексоры добавления/ответвления каналов (add-drop multiplexers).

God-Box

Волшебная шкатулка

Используемое в центральной части региональных сетей устройство, сочетающее в себе
широкий спектр функциональных возможностей, таких как оптическая коммутация,
ATM и/или ретрансляция кадров, IP-маршрутизация, мультиплексирование добав-
лением/выделением каналов и DWDM.

grant numbers

параметры разрешения доступа

Параметры, которые определяют возможность получения соответствующими узла-
ми PON доступа к сети.

grooming

упорядочивание

Процесс интеллектуального объединения входных потоков данных на основании
информации об их пунктах назначения или исходя из каких-либо иных критериев.

headend

головной узел

оконечное устройство в сети кабельного телевидения, которое демодулирует кабель-
ный телевизионный сигнал.

hertz

герц

Единица измерения частоты волновых колебаний, соответствующая одному полно-
му периоду колебаний в одну секунду.

in-line amplifiers

линейные усилители

Усилители, которые устанавливаются вдоль волоконно-оптической линии связи че-
рез каждые. 80-100 км с целью компенсации ослабления сигналов.

interference filters

интерференционные фильтры

Фильтры, используемые в телекоммуникационных системах для выделения сигна-
лов с длинами волн в интервале 1310-1550 нм.

interferometers

интерферометры

Компоненты, в которых явление интерференции световых волн используется для
измерения точности обработки оптических поверхностей.
IPX

Internetwork packet exchange (межсетевой пакетный обмен) ~ собственный протокол
межсетевого обмена фирмы фирмы Novell, используемый сетевой операционной опе-
рационной системой Novell NetWare.

isolator

оптический вентиль

Компонент, который пропускает свет в прямом направлении, но не дает ему рас-
пространяться в обратном направлении.

ITU grid

International Telecommunications Union grid (сетка Международного союза по теле-
коммуникациям) — стандарты для интервалов между каналами WDM.

IXC

Interexchange carriers (произносится «ай-экс-сиз») (владельцы линий информационного об-
мена) — телекоммуникационные компании, образовавшиеся в результате разделения
компании AT&T, которые стали обслуживать междугородные телефонные линии.

jitter

дрожание

Изменение задержки между сигналами.

kilo

кило

тысяча

L2SC interfaces

Layer-2 switch capable interfaces (интерфейсы, поддерживающие коммутацию на уровне
2) — тип интерфейсов, которые способны распознавать границы кадров, или ячеек,
и могут осуществлять дальнейшую передачу данных, исходя из анализа содержимого
заголовка пакета.

lambda

лямбда

Буква греческого алфавита, используемая для обозначения длины волны.

laser

Light amplification by the stimulated emission of radiation (усиление света путем стиму-
ляции эмиссии) — лазер, квантовый генератор оптического излучения. Эти устройства
обычно используются в тех случаях, когда к факторам дальности и точности предъяв-
ляются высокие требования. Работа лазеров основана на стимулированной эмиссии
излучения, что позволяет обеспечивать высокую точность и когерентность световых
пучков.

L-band

Long band (диапазон длинных волн) — относится к спектральному диапазону в интер-
вале длин волн 1565-1625.
LDCs

Linear divider-combiners (линейные делители-объединители) — специальные коммута-
торы общего типа, которые позволяют телефонным компаниям-владельцам линий
разделять входную мощность между выходными портами для ограничения ослабле-
ния сигналов.

LDP

Label distribution protocol (протокол распределения меток) — используется для распреде-
ления меток с целью обеспечения возможности создания LSP. Имеется два типа LDP —
протокол резервирования ресурсов (resource reservation protocol — RSVP) и протокол
LDP для маршрутизации с ограничениями (constraint-based routing LDP — CR-LDP).

LED

Light emitting diode (светоизлучающий диод) — переходная область, образующаяся на
стыке полупроводника p-типа с полупроводником n-типа. При приложении к тако-
му переходу напряжения происходит высвобождение энергии в виде света.

LER

Label edge router (краевой маршрутизатор меток) — маршрутизатор, инициирующий
LSP в сети MPLS.

line

линия, отрезок

В сети SONET — одна из отдельных цепей, необходимых для образования пути (path).
Каждая линия может образовать множество путей (например, путем мультиплекси-
рования — прим, научн. ред). line filters

line filters

линейные фильтры

Интерференционные фильтры, которые отражают или пропускают излучение, соот-
ветствующее одному или двум значениям длины волны.

liquid crystal switches

жидкокристаллические коммутаторы

Коммутаторы, в которых управление направлением распространения света осуществ-
ляется с помощью жидких кристаллов. При приложении к жидкому кристаллу элект-
рического напряжения молекулы смещаются из занимаемых ими положений, что при-
водит к изменению некоторых свойств, таких как показатель преломления R1.
Способность жидких кристаллов к изменению молекулярного порядка и значения RI
означает возможность их использования в целях коммутации оптических сигналов.
Конкретные способы реализации этой задачи могут быть самыми различными.

LMDS

Local multipoint distribution system (локальная многоточечная распределительная систе-
ма) — лицензированная фиксированная беспроводная технология, работающая на ча-
стотах 27,5 и 31,5 ГГц. Позволяет осуществлять передачу на более высоких скорос-
тях, но на меньшие расстояния по сравнению с технологией MMDS.
long-distance network

сеть дальней связи

Сеть, соединяющая между собой региональные сети.

longitudinal waves

продольные волны

Электромагнитные волны, составляющие которых осциллируют, или колеблются,
вдоль направления, в котором распространяется волна.

longpass filters

пороговые длинноволновые фильтры

Фильтры, которые пропускают свет с длиной волны больше определенной величины.

LSC interfaces

Lambda switch capable interfaces (управляемые длиной волны сигнала интерфейсы) — ин-
терфейсы, пересылающие данные в зависимости от длины волны, на которой эти
данные были получены.

LSP

Label switched path (коммутируемый посредством меток маршрут) — обеспечиваемый
между двумя маршрутизаторами поток пакетов MPLS. В общих чертах LSP анало-
гичны каналам в технологиях ATM и Frame Relay.

LSR

Label switched router (маршрутизатор с коммутацией меток) — один из маршрутиза-
торов MPLS, устанавливаемых между LER, обеспечивающий создание LSP.

Manchester encoding

Манчестерский код

Схема кодирования, в которой единицы и нули представляются изменением уровня
сигнала в середине бита.

Mbits/s

Мбит/с

Миллион бит в секунду.

mega

миллион

МЕМ

Microelectromechanical (микроэлектромеханический) — тип устройств, включающих в
себя чрезвычайно небольшие по размеру движущиеся части. В области оптики МЕМ
используются для создания оптических (all-optical) коммутаторов, снабженных кро-
хотными зеркалами для отражения сигналов между портами.

metropolitan network

региональная сеть

Сеть, охватывающая населенный пункт, город или какую-либо другую географичес-
ки выделенную область. Региональная сеть состоит из сетей доступа (access networks),
или периферийных сетей (the metro access networks), подключенных к центральной сети
(central network), или центральной части региональной сети (the metro core network).
micrrobends

микроизгибы

микроскопические изгибы волоконно-оптического кабеля, часто являющиеся при-
чиной диффузного отражения.

micrometer

микрометр

Одна миллионная доля метра, часто также называемая микроном.

millimeter

миллиметр

Одна тысячная доля метра.

MMDS

Multipoint multichannel distribution system (многоточечная многоканальная распредели-
тельная система) — лицензированная фиксированная беспроводная спецификация
для рабочего интервала частот от 2,1 до 2,7 ГГц. Позволяет осуществлять передачу
на более низких скоростях, но в более предпочтительном диапазоне по сравнению с
технологией LMDS.

modal dispersion

модальная дисперсия

Вид дисперсии, обусловленный различиями во времени прохождения волоконно-
оптического кабеля волнами, образующими световой импульс, вдоль различных мод.

mode coupling
связывание мод

Переход мощности из одной моды в другую.

MPLS

Multiprotocol label switching (многопротокольная коммутация меток) — определяет сле-
дующее поколение протокола маршрутизации, в котором решения о передаче дан-
ных в сети принимаются на основе анализа коротких меток, внедренных в пакеты, а
не длинных сетевых адресов.

multicast traffic

многоадресный трафик

Трафик, высылаемый одним узлом определенному количеству принимающих узлов.

Multimode

многомодовый

Термин, обозначающий наличие множества возможных путей распространения све-
тового сигнала.

multimode fiber

многомодовый волоконно-оптический кабель

Тип волоконно-оптического кабеля с сердечником относительно большого диаметра
(от 50 до 62,5 мкм), предоставляющий множество путей, по которым могут распро-
страняться волны, образующие световой импульс.

8 Зак. 774
multiplexer

мультиплексор

Устройство, объединяющее множество сигналов в один выходной сигнал.

NA

Numerical aperture (числовая апертура) — характеристика предельного значения угла,
при вводе под которым в многомодовый волоконно-оптический кабель свет еще
сохраняет возможность распространяться вдоль кабеля.

nanometer

нанометр

Одна миллиардная часть метра.

N-doped

Полупроводник п-типа

Отрицательно заряженный полупроводник.

NDSF

Non-dispersion-shifted fiber (волокно с несмещенной дисперсией) — оптическое волокно со
ступенчатым профилем изменения показателя преломления, обеспечивающее повы-
шенную дальность передачи. Также называется стандартным одномодовым волокном.

neutral density filters
нейтральные фильтры

Фильтры, обеспечивающие равномерное снижение пропускания света в некоторой
части спектра.

NNI

Network-to-network interface (межсетевой интерфейс) — программное обеспечение, ко-
торое позволяет оборудованию провайдеров получать информацию относительно пол-
ной топологии провайдерской сети. В OTN имеются внешние NNI (ENNI — external
NNI), обеспечивающие соединения между доменами провайдеров, и внутренние NNI
(INNI — internal NNI), которые обеспечивают соединения внутри доменов.

normal

нормаль

Воображаемая линия, проведенная перпендикулярно поверхности объекта в точке ее
пересечения световым лучом.

NZDSF

Non-zero dispersion shifted fiber (волокно co смещенной ненулевой дисперсией) — в опти-
ческих волокнах этого типа намеренно вводится номинальная степень дисперсии, что
позволяет использовать такие волокна в системах DWDM и в лучших из усилите-
лей — EDFA. См. также DSF и ZDSF.

OADM

См. ADM.

OAN

Optical access network (оптическая сеть доступа) — пассивная оптическая сеть.
О-band

Original band (начальный диапазон) — название спектрального интервала длин волн
от 1260 до 1360 нм.

ОС

Optical carrier (системы оптической связи) — оптический эквивалент STS-3 и анало-
гичных протоколов' с более высокими порядковыми номерами.

ODN

Optical distribution network (распределительная оптическая сеть) — один сегмент
(branch) пассивной оптической сети.

ODU

Optical channel data unit (модуль данных оптического канала) — структура данных, оп-
ределенная в наборе стандартов OTN для транспортировки трафика через оптичес-
кий канал. ODU состоят из собственно полезной информации (payload), элемента
полезной информации оптического канала (Optical channel Payload Unit — OPU), и
соответствующей служебной информации (overhead). ODU записываются как ODUk,
где, как и в случае ОТМ, к может принимать значения 1 (2,5 Гбит/с), 2 (10 Гбит/с) и
3 (40 Гбит/с).

ОБО switches

Optical-electrical-optical switches (электрооптические коммутаторы) — в этих комму-
таторах оптические сигналы до переключения их между портами преобразуются в
электрические. Коммутаторы этого типа также называют непрозрачными коммута-
торами.

OLT

Optical line terminal (оптический линейный терминал) — особая разновидность исполь-
зуемых в пассивных оптических сетях коммутаторов, которые размещаются в централь-
ном офисе, контролирующем доступ к сети и управляющем пассивной сетью (OLT
рассылает многочисленные пользовательские потоки с помощью лазера, мощность ко-
торого достаточна для компенсации как оптической дисперсии вдоль множественных
путей, так и затухания сигнала в каждой точке соединения — прим, научи, ред.).

OMSs

Optical multiplex sections ( секции оптического мультиплексирования) — относятся к
OTN и являются частями WDM, поддерживающими оптические каналы.

ONT

Optical network termination ( оптическое сетевое окончание) — устройство в PON, ко-
торое размещается в помещениях клиентов, заканчивая соединение PON.

ONU

Optical network unit (модуль оптической сети) — устройство в PON, с помощью кото-
рого осуществляется взаимное преобразование сигналов, используемых в PON, и, в
типичных случаях, сигналов какой-либо из технологий цифровых абонентских ли-
ний (digital subscriber line — DSL).
ООО switches

Optical-optical-optical switches (оптические коммутаторы) — этот тип коммутаторов
осуществляет перенаправление оптических сигналов между портами без предвари-
тельного их преобразования в электрическую форму.

opaque switches

непрозрачные коммутаторы

См. ОЕО switches.

optical crossconnect

оптический кросс-соединитель

Устройство, предназначенное для коммутации очень мощных сигналов между пор-
тами.

optomechanical switches

оптомеханические коммутаторы

Коммутаторы, которые обеспечивают соединение портов путем механического пе-
ремещения оптического волокна.

OSI

Open system interconnection (взаимодействие открытых систем) — модель, дающая об-
щее представление о том, как должна функционировать любая сеть.

OSPF

Open shortest path first (поиск кратчайшего пути) — популярный протокол маршрути-
зации, который находит кратчайший маршрут через сеть IP.

OSPF-TE

Open shortest path first for traffic engineering (поиск кратчайшего пути для проектиро-
вания трафика) — протокол маршрутизации, используемый совместно с MPLS для
вычисления кратчайшего маршрута между двумя точками на основании проектных
параметров трафика, назначенных каналам проектировщиком сети. OSPF-ТЕ исполь-
зуется для вычисления маршрутов в пределах AS.

отм

Optical transport module (оптический транспортный модуль) — базовый инкремент, ис-
пользуемый в иерархии OTN. ОТМ записываются с присоединением к ним двух чи-
сел: ОТМ-п.[г.]т. Здесь п — максимальное количество волновых каналов, которые могут
поддерживаться при наименьшей скорости передачи по каналу, ат — скорость пере-
дачи или набор скоростей передачи, поддерживаемых данным интерфейсом. Скорос-
ти передачи обозначается к, где к может принимать значения 1 (2,5 Гбит/с), 2 (10 Гбит/
с) и 3 (40 Гбит/с). Поддерживаются также комбинации скоростей передачи, так что
всего имеется шесть возможных значений: 1, 2, 3, 12, 13 и 23. г является необязатель-
ным элементом обозначения (поэтому и взято в скобки) и указывает на ограниченные
функциональные возможности ОТМ.
OTN

Optical transport network (оптическая транспортная сеть) — выпускаемый в настоя-
щее время ITU набор спецификаций, который описывает высокоскоростную ком-
мутируемую архитектуру, которая согласно всеобщим ожиданиям должна заменить
SONET в средах, требующих большой пропускной способности. Интерфейс OTN
определен в стандарте G.709 ITU-T, и его одно время ошибочно называли «упаков-
щиком цифровых данных». На самом деле понятие упаковщика цифровых данных
более точно описывается в терминах OUT и ODU.

OTS

Optical transmission section ( секция оптической передачи) — самый нижний иерархи-
ческий уровень OTN, описывающий передачу по отдельным отрезкам (span) воло-
конно-оптического кабеля.

ОТО

Optical transmission unit (модуль оптической передачи) — осуществляет транспортировку
ODU по одной и более оптическим канальным соединениям. OUT состоит из ODU
и некоторой служебной информации (overhead), предназначенной для управления оп-
тическим канальным соединением, а также FEC для вылавливания ошибок. OUT за-
писываются в виде OTU&, где, как и в случае ОТМ, к может принимать значения
1 (2,5 Гбит/с), 2 (10 Гбит/с) и 3 (40 Гбит/с).

overlay model

оверлейная модель

Архитектура сети общего пользования, в которой используются различные интерфей-
сы, так что оборудование клиента, оборудование сети провайдера и оборудование дру-
гого домена провайдерской сети могли иметь доступ к различным объемам сетевой
информации.

path

путь

В SONET — соединение между двумя узлами, состоящее из последовательности ли-
ний (отрезков).

payload

полезная информация или полезная нагрузка

Объем данных, передаваемых в составе кадра или пакета.

PDFA

Praseodymium-doped fiber amplifier (усилитель на волокне, легированном празеодими-
ем) — волокна, легированные празеодимием, являются весьма многообещающими в
плане усиления сигналов с длиной волны 1300 нм.

P-doped

Полупроводник р-типа

Положительно заряженный полупроводник.
peer-to-peer model

одноранговая модель

Архитектура сети общего пользования, в которой все узлы обладают одним и тем же
объемом информации относительно сети.

period

период

Время, за которое волна совершает один полный колебательный цикл.

permutation switches

транспозиционные коммутаторы

Коммутаторы, которые обеспечивают между различными портами только соедине-
ния типа «точка-точка». Соединения типа «один-множество» этим типом коммута-
торов не поддерживаются.

peta

пета

Одна квадриллионная часть.

phase

фаза

Характеризует взаимное расположение максимумов и минимумов одной волны от-
носительно другой. Когда две волны находятся в фазе, их максимумы и минимумы
прибывают в произвольную точку пространства в одно и то же время.

photon

фотон

Частица света.

photonic crossconnect

оптический кросс-соединитель

См. Photonic switch.

photonic switch

оптический коммутатор

Коммутатор, который разделяет поступающие из порта данные на отдельные волно-
вые составляющие и принимает отдельные решения относительно коммутации каж-
дой из составляющих. Также называется маршрутизаторами по длине волны или оп-
тическим кросс-соединителем.

picometer

пикометр

Одна триллионная часть метра.

PLOAM

Physical layer operations and maintenance (операции и обслуживание физического уров-
ня) — ячейки в PON-технологии, с помощью которых передаются параметры разре-
шения доступа (grant numbers).
polarization

поляризация

В случае световых волн — направление, в котором колеблется электрическое поле.
В линейно поляризованном свете электрическое поле постоянно колеблется в одном
и том же направлении. В случае света с круговой или эллиптической поляризацией
плоскость, в которой колеблется электрическое поле, вращается вокруг направления
распространения световой волны.

polarization fiber

поляризационный волоконно-оптический кабель

Тип волоконно-оптических кабелей, в которых показатель преломления RI изменя-
ется таким образом, чтобы обеспечивалась компенсация одного из нежелательных
видов дисперсии, называемого поляризационной модовой дисперсией (polarization mode
dispersion — PMD).

PON

Passive optical network (пассивная оптическая сеть) — участок сети, составляющий «пос-
леднюю милю», для передачи сигналов по которому не требуются питаемые или ак-
тивные электронные устройства.

population inversion

инверсная заселенность

Возникающее в определенный момент времени состояние рабочего вещества лазе-
ра, характеризующееся тем, что число атомов, находящихся в возбужденном состоя-
нии превышает число атомов, находящихся в основном состоянии, в результате чего
в лазере генерируется световое излучение.

postamplifiers

постусилители

Усилители, устанавливаемые непосредственно после передатчиков с целью увеличе-
ния амплитуды сигналов перед передачей их в линию.

preamplifiers

предусилители

Усилители, устанавливаемые непосредственно перед приемниками с целью усиления
сигналов до уровня мощности, лежащего в пределах чувствительности приемников.

priority queuing

очередь с приоритетами

Схема организации очередей, в которой пакеты помещаются в очереди с различны-
ми приоритетами, причем очереди с наивысшим приоритетом предоставляется пре-
имущественный доступ к сети.

protocols

протоколы

Набор правил, определяющих способ передачи информации между устройствами
PSC interface

Packet switch capable interface (интерфейс, поддерживающий коммутацию пакетов) —
тип интерфейсов, которые способны распознавать границы пакетов и могут переда-
вать данные далее, исходя из анализа содержимого заголовка пакета.

PVCs

См. VCs.

QoS scheme

Quality of Service scheme (схема качества обслуживания) — Алгоритм или архитектура,
используемая для предоставления полосы пропускания, качество которой различно
для различных приложений или пользователей.

Raman amplifiers

Рамановские усилители

Усилители, принцип действия которых основан на эффекте Рамана и которые пред-
назначены для усиления сигналов с длиной волны 1300, 1400 и 1500 нм.

См: также Raman effect.

Raman effect

Эффект Рамана

Изменение частоты и длины волны света, наблюдаемое при его рассеянии в прозрач-
ных веществах. Назван так в честь индийского физика сэра Чандрасекара Венката
Рамана.

Raman scattering

Рамановское рассеяние

Вид рассеяния, при котором световые волны поглощают от атомов дополнительную
энергию, что приводит к изменению длины волны рассеиваемого света. (В отечествен-
ной литературе этот вид рассеяния принято называть комбинационным рассеянием. Яв-
ление комбинационного рассеяния света было открыто советскими физиками Г.С.
Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом на кристаллах и одновременно индийскими
физиками Ч.В. Раманом и К.С. Кришнаном на жидкостях. — Примем, переводчика.)

Raman spectrum

Рамановский спектр (спектр комбинационного рассеяния)

Спектральные линии различных цветов, получаемые со стороны более коротких и
более длинных волн по отношению к исходной длине волны света в результате ком-
бинационного рассеяния.

RBOC

Regional Bell Operating Companies (региональные телефонные компании Bell) — семь ком-
паний, предоставляющих местные телефонные услуги, образовавшихся в результате
разделения компании AT&T.

reaiTangably nonblocking switches

перестраиваемые неблокирующие коммутаторы

Коммутаторы, в которых для создания в коммутационной матрице нового соедине-
ния должны быть перемещены существующие соединения.
reflection

отражение

Отражение световой волны в результате ее столкновения с физическим объектом.

refraction

преломление

Изменение направления света в результате изменения скорости распространения све-
товой волны на границе раздела двух сред с различными показателями преломления.

regenerator

регенератор

Устройство, которое принимает сигнал, убирает шумы и искажения, а затем переда-
ет сигнал далее.

repeater

повторитель

Устройство, которое принимает сигнал, преобразует его в электрическую форму и
затем передает далее.

R1

Refractive index (показатель преломления) — отношение скорости света в вакууме к-
скорости света в веществе.

router

маршрутизатор

Устройство, которое направляет пакеты в нужные порты, исходя из адресов уровня 3,
также называемых сетевыми адресами.

routing protocols

протоколы маршрутизации

Сетевое программное обеспечение, применяемое маршрутизаторами для передачи
коллективно используемой информации по всей топологии маршрутов с целью вы-
бора оптимального маршрута для перемещения пакетов по сети.

RPR

Resilient packet ring (динамическое кольцо для передачи пакетов) — технология цент-
ральной части региональной сети, разрабатываемая рабочей группой IEEE 802.17.
Целью RPR является предоставление сети, сочетающей в себе низкую стоимость и
высокую эффективность Ethernet с прогнозируемостью, гибкостью и поддержкой
кольцевых топологий SONET.

S-band

Short band (диапазон коротких волн) — относится к спектральному диапазону в ин-
тервале длин волн 1460-1530.

scattering

рассеяние

Явление, в результате которого происходят потери светового излучения вследствие
его рассеяния атомами в различных направлениях.
scrambling

скремблирование

Упрощенный алгоритм шифрования, применяемый в сетях PON. Спецификация
требует использования 24-битовых ключей шифрования.

SDH

Synchronous data hierarchy (иерархия синхронных данных) — европейский эквивалент
SONET.

section

секция

В SONET секциями называются участки физических линий между усилителями и
повторителями.

semiconductor

полупроводник

Материал, проводимость которого ниже чем у металлов, но выше чем у изоляторов.

Shannon’s theorem

теорема Шэннона

Теорема, согласно которой пропускная способность канала обратно пропорциональна
количеству в нем шумов.

shortpass filters

пороговые коротковолновые фильтры

Фильтры, которые пропускают свет с длиной волны меньше определенной величины.

socket

сокет

Высокоуровневый интерфейс, позволяющий приложениям обращаться друг к другу
через сеть.

SONET

Synchronous optical network (синхронная оптическая сеть) — широко распространенный
стандарт для волоконно-оптических линий связи.

SONET payload

полезная нагрузка SONET

Часть кадра SONET, которая передает полезные данные. Часть полезной нагрузки
SONET составляет SPE.

source address

адрес источника

hjypcc станции-отправителя кадра или пакета.

spatial reuse technology

технология многократного использования волновых каналов путем их пространствен-
ного разнесения

Использование одних и тех же волновых каналов для организации связи между дву-
мя различными наборами узлов с целью передачи различных наборов данных (дан-
ная технология впоследствии получила название Dynamic Packet Transport — прим,
научи, ред.).

SPE

Synchronous payload envelope (конверт синхронной полезной нагрузки) — часть кадра
SONET, содержащая фактические данные. В силу ряда причин, связанных с вопро-
сами синхронизации, VC захватывают последовательные порции полезной нагрузки
SONET.

specular reflection

зеркальное отражение

Тип отражения, при котором параллельный пучок световых лучей, отражаясь от
поверхности, с которой он сталкивается, сохраняет свою параллельность.

spontaneous emission

спонтанная эмиссия

Испускание фотонов при падении электронов на нижний энергетический уровень.

SRP

Spatial reuse protocol (протокол многократного использования волновых каналов путем их
пространственного разнесения) — технология компании Cisco, которая в конечном сче-
те была предложена в качестве рекомендованного стандарта.

step index multimode fiber

многомодовый волоконно-оптический кабель со ступенчатым профилем показателя
преломления

Тип волоконно-оптических кабелей, в которых вдоль диаметра сердечника сохраня-
ется постоянное значение показателя преломления RI.

stimulated emission

стимулированная эмиссия

Эмиссия фотонов за счет возбуждения электронов и предотвращения их преждевре-
менного падения на низко расположенные энергетические уровни.

strict-sense nonblocking switches

неблокирующие коммутаторы в строгом смысле

Коммутаторы, в которых удается полностью избежать изменения маршрутов соеди-
нений, хотя это и достигается за счет дополнительного усложнения оборудования.

STS

Synchronous transport signal (синхронный транспортный сигнал) — основной сигнал в
SONET. Для него используется скорость передачи примерно 51 Мбит/с при полез-
ной нагрузке, составляющей 44, 736 Мбит/с.

SVCs

См. VCs.

switch

коммутатор

Устройство, которое изменяет маршрут светового или электрического сигнала, обычно
используя при этом минимум информации, извлекаемой из потока данных. Комму-
таторы функционируют в сети на различных уровнях. Оптические или электричес-
кие коммутаторы перемещают свет или электричество между портами без какого-либо
анализа потока данных. Телефонные коммутаторы осуществляют переключения в со-
ответствии с набираемым телефонным номером. Коммутаторы Ethernet при осуще-
ствлении коммутации используют лишь информацию, содержащуюся в заголовке
кадра Ethernet. В случае ATM имеет место та же ситуация, но используется уже ин-
формация, содержащаяся в заголовке кадра ATM.

TCP/IP

Transmission control protocol/Intemet protocol (протокол управления передачей/ Internet
протокол ) — многоуровневая архитектура, являющаяся предшественником моде-
ли OSI и в настоящее время лежащая в основе Internet и большей части корпора-
тивного трафика.

TDM

Time-division multiplexing (мультиплексирование с разделением времени) — способ пос-
ледовательного извлечения битов или байтов из многочисленных потоков данных с
последующим их объединением в один поток.

TDM interface

Интерфейс, способный работать в режиме мультиплексирования с разделением вре-
мени, т.е. пересылать данные, используя элементарные временные интервалы в по-
вторяющихся циклах.

thermal-optic switches

термооптические коммутаторы

Коммутаторы, в которых скорость распространения света по световоду изменяется
путем изменения температуры материала, что позволяет направлять световые сигна-
лы из одного порта в другой.

total internal reflection

полное внутреннее отражение

См. Critical angle.

transparent switches

прозрачные коммутаторы

См. ООО switches.

transverse waves

поперечные волны

Электромагнитные волны, составляющие которых колеблются в плоскости перпен-
дикулярной направлению распространения волны.

U-band

Ultralong band (диапазон сверхдлинных волн) — относится к спектральному диапазону
в интервале длин волн 1625-1675.

UNI

User network interface (сетевой интерфейс пользователя) — программное обеспечение,
скрывающее сложность провайдерской сети при взаимодействии с нею снаружи. Кли-
енты могут использовать UNI для формирования запросов на сетевое обслуживание,
но не могут проникнуть в нее для ознакомления с частной информацией.

VCI

Virtual channel identifier (идентификатор виртуального канала) — поле ячейки ATM,
определяющее канал или цепь, которым принадлежит ячейка.

VCs

Virtual circuits (виртуальные каналы) — потоки между двумя или более узлами в АТМ-
сети, которые являются либо временными (switched virtual circuits — SVC), либо по-
стоянными (permanent virtual circuits — PVC) виртуальными каналами.

VCSELs

Vertical cavity surface-emitting lasers (лазеры с вертикально излучающим резонатором) —
лазеры, в которых свет излучается через из верхнюю часть, что делает их проще в
изготовлении по сравнению с боковыми (edge) излучателями.

VLANs

Способ связывания компьютеров, образующих рабочую группу, которые логически
различаются между собой, хотя и соединены общей .физической проводкой.

VPI

Virtual path identifier (идентификатор виртуального пути ) — поле ячейки ATM, опре-
деляющее маршрут, которому принадлежит ячейка.

VPNs

Virtual private networks (виртуальные частные сети) — служба, посредством которой
узлы или сайты соединяются между собой безопасным образом в общую сеть. VPN
обычно включают в себя шифрование трафика и установление подлинности участ-
ников группы.

VTs

Virtual tributaries ( виртуальные каналы меньшей пропускной способности — вирту-
альные притоки) — каналы SONET, охватывающие полосу пропускания от 1,544
Мбит/с (VT-1.5) до 6,312 Мбит/с (VT-6). VT агрегируются, образуя сигнал STS-N. Их
также называют низкоуровневыми сигналами.

WANPHY

Часть спецификации 10 Gbit Ethernet, которая описывает способ упаковки пакетов
10 Gbit Ethernet в кадре SONET.

waveguide

волновод

Конструкция, которая служит каналом или направляющей для электромагнитной вол-
ны. Волоконно-оптический кабель является оптическим волноводом, или световодом.

wavelength

длина волны

расстояние между соседними волновыми пиками.
wavelength routers

См. Photonic switches.

WDM

Wave-division multiplexing (мультиплексирование с разделением длин волн) — способ объе-
динения многочисленных сигналов в одном волоконно-оптическом кабеле путем
передачи их по данному кабелю с использованием различных длин волн.

weighted fair queuing

Очереди с взвешенным выравниванием. Алгоритм формирования очередей, кото-
рый гарантирует прогнозируемое обслуживание различных классов трафика (гаран-
тируются постоянные времена реакции для нескольких приложений за счёт интел-
лектуального распределения полосы пропускания для них. Для наиболее
ответственных приложений предоставляется приоритетное обслуживание — прим,
научи, ред.).

wide-sense nonblocking switches

неблокирующие коммутаторы в широком смысле

Коммутаторы, позволяющие избежать перестройки активных при условии, что орга-
низация маршрутов для новых соединений осуществляется с соблюдением опреде-
ленных правил.

WWDM

Wide wavelength-division multiplexing (широкополосное мультиплексирование с разделе-
нием длин волн) — мультиплексирование, при котором интервал между каналами пре-
вышает 200 ГГц.

XAUI

Интерфейс, название которого состоит из двух частей — X (римское «10») и AU1
(attachment unit interface — интерфейс устройств доступа); является высокоскорост-
ной шиной, используемой протоколом 10 Гбит/с Ethernet для упрощения разводки
печатных плат.

XGMII

32-разрядный тракт данных, позволяющий использовать существующие чипы Ethernet
совместно с новой высокоскоростной шиной XAUII протокола 10 Гбит/с Ethernet.

yotta
йотта

Одна септиллионная часть.

ZDSF

Zero dispersion-shifted fiber (волокно co смещенной нулевой дисперсией) — оптичес-
кое волокно, в котором введено такое изменение показателя преломления RI, чтобы
обеспечивалось устранение дисперсии сигнала. См. также DSF и NZDSF.
Предметный указатель

А

Автоматическая защитная коммутация
(automatic protection switching -
APS) 145

Б

Бесклассовая междоменная маршрутизация
(classless interdomain
routing - CIDR) 203

Бозе-эйнштейновский конденсат (Bose-Einstein
Condensate - ВЕС) 27

в

Виртуальные

частные сети (virtual private
networks - VPN) 18, 28
притоки (виртуальные каналы меньшей
пропускной способности (virtual
tributaries - VT) 142

Волны
гамма-лучи 67
граничной длины (cut-off wavelength) 81
дифракция 67, 72
длина 64, 67
интерференция 67, 72
деструктивная 73
конструктивная 73
инфракрасные 67
микроволновые 67
отражение 67
диффузное 69
зеркальное 69
поперечные 63
преломление 67, 69
показатель 69, 70
продольные 64
радио 67
ультрафиолетовые 67
рентгеновские 67
рассеяние 72
рэлеевское 83

Волоконно-оптические кабели
многомодовые 81
поляризационные (polarization) 83
противодисперсионные (dispersion-
limiting) 83

с градиентным профилем показателя
преломления 81

с несмещенной дисперсией (non-dispersion
shifted fibers - NDSF) 82, 83

co смещенной дисперсией (dispersion
shifted fibers - DSF) 82

co смещенной ненулевой дисперсией (non-
zero-dispersion-shifted fibers -
NZDSF) 82

co смещенной нулевой дисперсией (zero-
dispersion-shifted fibers - ZDSF) 82, 83
co ступенчатым профилем показателя
преломления 81

д

Дисперсия 86
модальная 86
поляризационно-модовая (polarization mode
dispersion - PMD) 83, 89
хроматическая 88

Делимость (granularity) 177

Динамическое распределение полосы
пропускания (dynamic bandwidth
allocation - DBA) 193

3

Защита по схеме

«один к одному» (1:1) 194

«1 + 1» 194

И

Интеллектуальная оптика 18

Идентификатор

виртуального канала (Virtual Channel
Identifier - VCI) 48

виртуального пути (Virtual Path Identifier -

VPI) 48
Излучение
Спонтанное 96
стимулированное 97

К

Кабель
к жилищу (fiber to the Home -

FTTH) 189, 190

к зданию (fiber to the Building -
FTTB) 189, 190

к тротуару (к обочине) (Finer to the
Curb- FTTC)) 189, 190

к шкафу (fiber to the Cabinet -
FTTCab) 189, 190

Каналы

DS-0 (64 Кбит/с) 141

DS-1 (1,544 Мбит/с) 141

DS-2 (6,312 Мбит/с) 141

DS-3 (44,736 Мбит/с) 141

OC-3 (2,4 Гбит/с) 28, 143
Ocx 143
STSx 143

T1 (1,54 Мбит/с) 28
VTx 143
гибридные 209
коммутируемые виртуальные (Switched

VC - SVC) 48

постоянные аппаратные (hard-
permanent) 209

постоянные виртуальные (Permanent VC -
PVC) 48

предоставляемые (provisioned) 209

сигнальные (signaled) 209

Квибиты (от quibit - quantum-bit, или
квантовый бит) 26

Компьютеры
мэйнфреймы 33
оптические 26
персональные (PC) 34

Коммутация
волоконно-оптических кабелей (fiber switch
capable - FSC) 206
меток обобщенная многопротокольная
(generalized multiprotocol label
switching - GMPLS) 159
многопротокольная с использованием
меток (Multiprotocol label switching - ,
MPLS) 55. 167

с преобразованием длин волн 134
Кольцо

с коммутацией двунаправленных линий(Ы-
directional line-switched rings -
BLSR ) 147

с коммутацией однонаправленных путей
(unidirectional path-switched rings -
UPSR) 147

Коммутаторы
акустооптические 134
жидкокристаллические 131
координатные (матричные) 123
линейные делители-объединители (linear
divider-combiner - LDC) 122
микроэлектромеханические

(microelectromechanical switches -
MEMS) 127, 128

оптические (all-optical switches) 118
неблокирующие 124
непрозрачные 118

общего типа (generalized) 121

ОЕО- (optical-electrical-optical) 118

ООО- (optical-optical-optical) 118
оптомеханические 129
перестраиваемые неблокирующие
(rearrangeably nonblocking
switches) 125, 126
поляризационно-независимые
жидкокристаллические 133
прозрачные 118
пузырьковые 130
с архитектурой Клоза (Clos
architecture) 123
световые (photonic) 118
с коммутационной структурой Бенеша -
(Benes switch fabric) 124
термооптические 129
транспозиционные (permutation) 121
упорядочивающие (grooming) 119
электроголографические 133
электрооптические 118, 129

Классы эквивалентной переадресации
(forward equivalence classes - FEC) 204

л

Локальные сети
Ethernet

10 Мбит/с 45, 52
100 Мбит/с 45, 52

1000 Мбит/с 45, 52

10 Гбит/с 45. 52

виртуальные (Virtual LAN - VLAN) 53

м

Межсетевые интерфейсы (network to network
interfaces - NNI) 201

Модуль оптической сети (optical network
unit-ONU) 189

Мультиплексоры

добавления/ответвления каналов (ввода-
вывода; add-drop multiplexers -
ADM) 24

добавления/ответвления каналов
оптические (optical add-drop
multiplexing - OADM) 107, 108, 117

доступа к DSL (DSL access multiplexor -
DSLAM) 180

по длине волны высокой плотности
(Dense Wavelength Division Multiplexing -
DWDM) 64, 82, 83. 106. 109

с использованием расширенного
оптического спектра (Wide-Wavelength-
Division Multiplexing - WWDM) 107, 165
с разделением времени (time-division
multiplexer - TDM) 23, 24, 35.43, 107

с разделением длин волн (wave-division
multiplexing - WDM) 43. 107, 108, 110
с разделением частот (frequency-division
multiplexing) 43

статическое 45

Модуляция

амплитудная с переключением (on-off
keying) 101

непосредственная (direct modulation) 101
Модель

OSI 33. 35

TCP/IP 33. 35

оверлейная 207

одноранговая 201

о

Оптические детекторы 102

Источники света

волоконные 98

квантовые генераторы 96

лазеры (LASER - Light Amplification by the
Stimulated Emission of Radiation) 96
на распределенных отражательных
решетках Брэгга (Distributed Bragg
Reflector - DBR) 98
неодимовые 98
с вертикально излучающим резонатором
(vertical cavity surface-emitting lasers -
VCSEL) 99

светоизлучающие диоды (light emitting
diode - LED) 96

с поперечными излучателями (лазеры
Фабри-Перо; edge emitter) 98

с распределенной обратной связью
(Distributed Feedback Lasers - DFL) 98
коммутаторы (photonic switches) 117
кросс соединители (photonic
crossconnects) 117

линейные терминалы (optical line terminal-
OLT) 189

ответвители (couplers) 94. 114
повторители 103
полупроводники 95
постусилители 105
предусилители 105
регенераторы 103

транспортные сети (optical transport
network - OTN) 155

усилители 103

на оптических волокнах, легированных
празеодимием (Praseodymium-Doped Fiber
Amplifiers - PDFA) 106

фильтры 111

дихроические 111

интерференционные линейные 111
нейтральные 112

пороговые длинноволновые и
коротковолновые (longpass and shortpass
filters) 111

полосовые 111

предельные длинноволновые и
коротковолновые 112

Оптоволоконные решетки Брэгга 112
Основные эталонные сигналы (Primary

' Reference Clock) 141

Оконечное устройство оптической сети
(optical network termination - ONT) 189
Очереди

взвешенного равноправного доступа
(weighted fair queuing) 54

с приоритетом (priority queuing) 54

со специальной организацией приоритета
(custom queuing) 54

п

Передача оптических волн
многомодовая 68
одномодовые 75

Плакировка (cladding) 75

Помещения клиентов (customer premises) 20

Последняя миля 175, 179, 187

Поставщики услуг

Internet (Internet service providers -

ISP) 21, 29

приложений (application service providers -
ASP) 21

магистральных линий Internet (Internet
backbone suppliers) 22

хранения данных (storage service
providers) 22

управления сетями (managed service

providers - MSP) 22

Пропускная способность (capacity) 21, 76
Протоколы

IP 36

IPX 36

TCP/IP 25, 33, 34

граничного шлюза BGP (Border Gateway

Protocol) 51

канальные DTM (DTM channel protocol -
DCP) 160

маршрутизации (rooting protocols) 51

маршрутизации DTM (DTM routing

protocol - DRP) 160

многократного использования волновых
каналов путем их пространственного
разнесения (spatial reuse protocol -
SRP) 168

обмена сигналами (signaling
protocols) 200

поиска кратчайшего пути OSPF (Open

Shortest Path First) 51

распределения меток (label distribution
protocol - LDP) 205

синхронизации DTM (DTM synchronization
protocol - DSYP) 160

состояния связи DTM (DTM link state
protocol - DLSP) 160

управления ресурсами DTM (DTM resource
management protocol - DRMP) 160
устойчивого (динамического) кольца для

передачи пакетов (Resilient Packet
Ring - RPR) 53, 155

физические DTM (DTM physical protocol -
DPP) 160

формирования кадров общие (generic
framing protocol - GFP, g.gfp) 152

p

Режим
асинхронной передачи (asynchronous
transfer mode - ATM) 24, 35, 48
динамической передачи (Dynamic Transfer

Mode - DTM) 155, 159

c

Сетевые интерфейсы пользователя (user
network interfaces - UNI) 201

Сети

ATM 24, 28

Frame Relay 24, 28, 155

NetWare 36

SDH 25

SONET 25, 139

автоматически коммутируемые оптические
(automatic switched optical network -
AOTN) 208

автоматически коммутируемые
транспортные (automatic switched
transport network - ASTN) 208
беспроводные оптические (free-space

optics) 175, 187

дальней связи (long-haul networks) 19

доступа-периферийные (neighborhood
networks) 19

региональные (metro access networks) 19

Ethernet пассивные оптические

(EPON) 195

общегородские (citywide network) 19
пассивные оптические (passive optical

networks - PON) 175, 187
региональные (metropolitan или metro
networks) 19

с разделяемой средой (shared media
networks) 35

хранения данных (storage area network -
SAN) 179

центральные (metro core network) 19. 46

ячеистые (meshed network) 42

Синхронная передача сигналов (synchronous
transport signals - STS) 142, 143

Система
локального многоузлового распределения
(local multipoint distribution system -
LMDS) 186
многоузлового многоканального
распределения (multipoint multichannel
distribution system - MMDS) 186

Скорость передачи битов
доступная (available bit rate - ABR) 49
неопределенная (unspecified bit rate -

UBR) 49

переменная (variable bit rate - VBR) 49
постоянная (constant bit rate - CBR) 49

T

«Темная» линия (dark fiber) 21

Теория света
волновая 60
квантовая 61
корпускулярная 59

Топология сетей
двухточечная 41
звездообразная 41
кольцевая 41

Транзиты (Hops) 52

У

Уровень
адаптации ATM (ATM adaptation layer -
AAL) 49
звена (Link layer) 34
канальный 34, 51
представительный 34
прикладной 34
сеансовый 34
сетевой 34, 51

сигнализации и управления (signaling and
management layer) 169

транспортный 34

управления доступом к среде (Media

Access Control - MAC) 35
управления логическим каналом (Logical

Link Control - LLC) 35
физический 34, 51

Угол
критический 71
отражения 68
падения 71
полного внутреннего отражения 71

Усилители

оптические, легированные эрбием
(erbium-doped fiber amplifiers -

EDFA) 83. 104
оптические линейные 105
ф

Фотоны 61

Фотоэлектрический эффект 61

ц

Циркуляторы 113

Цифровые

абонентские линии (digital subscriber
lines - DSL) 180

асимметричные DSL (asymmetric DSL -
ADSL) 180, 182

сверхвысокоскоростные DSL (very high data
rate digital subscriber line - VDSL) 181
кросс-соединители (digital crossconnects -

DXC) 24, 180

4

Числовая апертура (NA - numerical
aperture) 80

э

Эксплуатационная и технологическая
информация физического уровня
(Physical Layer Operations and
Maintenance - PLOAM) 192

Электромагнитный спектр 65

Элементарные временные интервалы (time
slots) 23, 54
Научное издание

Гринфилд Девид

ОПТИЧЕСКИЕ СЕТИ

Заведующий редакцией С.Н.Козлов

Научный редактор член-корр. УкрАИН Н.И. Алишов

Верстка Ю. Л. Ребенок
Н/К

ООО «ДиаСофтЮП», 196105, Санкт-Петербург, пр. Ю.Гагарина, д. 1, ком. 108.
Лицензия №000328 от 9 декабря 1999 г.

Сдано в набор 20.07.02. Подписано в печать 05.08.02. Формат 70x100/16.

Бумага типографская. Гарнитура Таймс. Печать офсетная. Печл. 16.00.
Тираж 3000 экз. Заказ № 774.

Отпечатано с готовых диапозитивов
в ФГУП ордена Трудового Красного Знамени «Техническая книга»
Министерства Российской Федерации по делам печати,
телерадиовещания и средств массовых коммуникаций

198005, Санкт-Петербург, Измайловский пр., 29.
II МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

“ИНФОРМАТИЗАЦИЯ УКРАИНЫ”

III ФОРУМ: “УКРАИНА - ОТ ЭЛЕКТРОННОГО ОФИСА
К ЭЛЕКТРОННОМУ ПРАВИТЕЛЬСТВУ”

4-*6 июня SOC3
ОДЕССА

IV МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА

“СВЯЗЬ И КОММУНИКАЦИИ”

e-mail: exp

вы

ОРГАНИЗАТОР

>ания “Экспо-Юг-Сервис

77-60-68, 728-60-68

t http://www.infoukraine.biz